基于 3D 打印的仿生多孔吸濕體：實現(xiàn)快速除濕與高效再生的新途徑

來源：EFL生物3D打印與生物制造

在當今社會，濕度控制在綠色建筑設計、設備保存、工業(yè)生產及室內空氣質量管控等領域至關重要。然而，傳統(tǒng)的除濕方法存在諸多弊端。如常用的蒸汽壓縮系統(tǒng)，在壓縮氣態(tài)制冷劑時能耗巨大，為使潮濕空氣冷卻至露點以下以實現(xiàn)水汽凝結，需要較大的溫度梯度，這進一步增加了能源消耗；并且在低溫、低濕度環(huán)境下，其性能會大幅下降，響應速度遲緩，難以滿足快速除濕的需求。膜基除濕技術雖能耗低且無冷凝水產生，但受限于膜的滲透率、易受污染以及對驅動力要求較高等因素，在高濕度或大規(guī)模應用場景中效果欠佳。  

在此背景下，上海交通大學王如竹教授團隊開展合作研究。他們受到樹木分層多孔微結構的啟發(fā)，利用直接墨水書寫3D打印技術，成功制備出具有垂直定向通道和堅固結構的仿生吸附劑整體材料。該材料具有豐富的孔隙結構，涵蓋毫米到微米尺度，能夠實現(xiàn)快速吸水和便捷再生。相關工作以“Biomimetic Porous Hygroscopic Monolith with Vertically Aligned Channels by 3D Printing for Rapid Dehumidification and Regeneration”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上，為解決現(xiàn)有除濕技術的痛點、實現(xiàn)高效濕度調控提供了新的方向和解決方案。 上海交通大學制冷與低溫工程研究所博士研究生陳芷薈為論文第一作者，王如竹教授為通訊作者。

研究內容
1. 墨水的流變性質及CASN-Li整體材料的制備，通過制備不同$HF-SiO_{2}$質量濃度的3D打印墨水，測試其黏度、模量隨剪切速率和振蕩應變的變化，并采用掃描電子顯微鏡（SEM）、能量色散光譜（EDS）等方法，研究了墨水的可打印性及CASN-Li整體材料的制備和微觀結構。結果表明，SA-2墨水具有良好的可打印性，制備的CASN-Li整體材料具有均勻的宏觀孔隙結構和豐富的微觀孔隙，成分分布均勻，且具有較高的熱導率和機械強度。

圖1. 墨水的流變性質及CASN-Li整體材料的制備。  

2. CASN-Li整體材料的表征，運用SEM、X射線衍射儀（XRD）、傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）和動態(tài)力學分析儀（DMA）等手段，研究了CASN-Li整體材料的微觀形貌、物相組成、官能團以及壓縮性能。結果顯示，材料表面粗糙且有裂紋狀微孔，存在BN等成分，含有豐富的含氧官能團，具有良好的親水性，在脫水和水合狀態(tài)下都能承受較高的壓縮應力，結構穩(wěn)定。

圖2. CASN-Li整體材料的表征。  

3. 3D打印CASN-Li整體材料的吸濕性能，采用同時熱分析儀（STA）和恒溫恒濕箱，測量不同LiCl濃度、不同相對濕度（RH）下材料的動態(tài)水吸附曲線，研究其吸濕性能，并與塊狀吸附劑和其他復合材料對比。結果表明，CASN-Li20在綜合考慮吸附和再生性能時表現(xiàn)較優(yōu)，材料吸濕速率和吸附量隨RH增加而增大，3D打印結構使其吸濕動力學性能優(yōu)于塊狀吸附劑和其他報道的復合材料。

圖3. 3D打印CASN-Li整體材料的吸濕性能。  

4. 3D打印CASN-Li整體材料的水分釋放性能及綜合性能評價，利用COMSOL軟件模擬結合實驗測試，研究不同空氣流速、加熱電壓下材料的水分釋放過程，并進行循環(huán)穩(wěn)定性測試和材料特性對比。結果表明，在空氣流速2.0 m/s、加熱電壓11 V時，材料能快速釋放水分，25次循環(huán)測試中無泄漏和結構損壞，且在經(jīng)濟、可擴展性等方面具有優(yōu)勢。

圖4. 3D打印CASN-Li整體材料的水分釋放性能及綜合性能評價。  

5. 3D打印CASN-Li整體材料快速濕度調節(jié)的演示，搭建透明丙烯酸裝置進行實驗，并通過COMSOL軟件模擬，研究CASN-Li整體材料在實際裝置中的除濕和再生效果。結果顯示，一塊CASN-Li能快速降低裝置內相對濕度，增加吸附劑數(shù)量可加快除濕速度，除濕和再生過程能耗低，模擬與實驗結果一致性良好。

圖5. 3D打印CASN-Li整體材料快速濕度調節(jié)的演示。

研究結論
在全球范圍內，室內除濕對于保障人體健康、提升舒適度，以及應對氣候變化、推動可持續(xù)發(fā)展至關重要。本研究通過3D打印技術制備出具有仿生多孔結構的CASN-Li整體材料，用于快速濕度調節(jié)。直接墨水書寫3D打印與化學交聯(lián)相結合，使該整體材料具備毫米和微米尺度的多尺度孔隙，特別是3D打印形成的毫米級垂直定向通道，增加了與環(huán)境濕氣的接觸面積，有利于CASN-Li整體材料的吸濕和放濕。在60%相對濕度下，該3D打印整體材料的吸水速率比塊狀吸附劑高2.1倍，且20分鐘內可釋放80%以上的吸水量。裝置級的演示實驗表明，一塊CASN-Li整體材料能在25分鐘內，將體積為自身6750倍空間內的相對濕度從90%降至60%以下。這顯示出3D打印結合基于吸附的大氣集水技術，在高效濕度管理方面具有廣闊的應用前景。

文章來源：
https://doi.org/10.1002/adfm.202508512