基于 3D 打印的仿生多孔吸湿体：实现快速除湿与高效再生的新途径

来源：EFL生物3D打印与生物制造

在当今社会，湿度控制在绿色建筑设计、设备保存、工业生产及室内空气质量管控等领域至关重要。然而，传统的除湿方法存在诸多弊端。如常用的蒸汽压缩系统，在压缩气态制冷剂时能耗巨大，为使潮湿空气冷却至露点以下以实现水汽凝结，需要较大的温度梯度，这进一步增加了能源消耗；并且在低温、低湿度环境下，其性能会大幅下降，响应速度迟缓，难以满足快速除湿的需求。膜基除湿技术虽能耗低且无冷凝水产生，但受限于膜的渗透率、易受污染以及对驱动力要求较高等因素，在高湿度或大规模应用场景中效果欠佳。  

在此背景下，上海交通大学王如竹教授团队开展合作研究。他们受到树木分层多孔微结构的启发，利用直接墨水书写3D打印技术，成功制备出具有垂直定向通道和坚固结构的仿生吸附剂整体材料。该材料具有丰富的孔隙结构，涵盖毫米到微米尺度，能够实现快速吸水和便捷再生。相关工作以“Biomimetic Porous Hygroscopic Monolith with Vertically Aligned Channels by 3D Printing for Rapid Dehumidification and Regeneration”为题发表在《Advanced Functional Materials》上，为解决现有除湿技术的痛点、实现高效湿度调控提供了新的方向和解决方案。 上海交通大学制冷与低温工程研究所博士研究生陈芷荟为论文第一作者，王如竹教授为通讯作者。

研究内容
1. 墨水的流变性质及CASN-Li整体材料的制备，通过制备不同$HF-SiO_{2}$质量浓度的3D打印墨水，测试其黏度、模量随剪切速率和振荡应变的变化，并采用扫描电子显微镜（SEM）、能量色散光谱（EDS）等方法，研究了墨水的可打印性及CASN-Li整体材料的制备和微观结构。结果表明，SA-2墨水具有良好的可打印性，制备的CASN-Li整体材料具有均匀的宏观孔隙结构和丰富的微观孔隙，成分分布均匀，且具有较高的热导率和机械强度。

图1. 墨水的流变性质及CASN-Li整体材料的制备。  

2. CASN-Li整体材料的表征，运用SEM、X射线衍射仪（XRD）、傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）和动态力学分析仪（DMA）等手段，研究了CASN-Li整体材料的微观形貌、物相组成、官能团以及压缩性能。结果显示，材料表面粗糙且有裂纹状微孔，存在BN等成分，含有丰富的含氧官能团，具有良好的亲水性，在脱水和水合状态下都能承受较高的压缩应力，结构稳定。

图2. CASN-Li整体材料的表征。  

3. 3D打印CASN-Li整体材料的吸湿性能，采用同时热分析仪（STA）和恒温恒湿箱，测量不同LiCl浓度、不同相对湿度（RH）下材料的动态水吸附曲线，研究其吸湿性能，并与块状吸附剂和其他复合材料对比。结果表明，CASN-Li20在综合考虑吸附和再生性能时表现较优，材料吸湿速率和吸附量随RH增加而增大，3D打印结构使其吸湿动力学性能优于块状吸附剂和其他报道的复合材料。

图3. 3D打印CASN-Li整体材料的吸湿性能。  

4. 3D打印CASN-Li整体材料的水分释放性能及综合性能评价，利用COMSOL软件模拟结合实验测试，研究不同空气流速、加热电压下材料的水分释放过程，并进行循环稳定性测试和材料特性对比。结果表明，在空气流速2.0 m/s、加热电压11 V时，材料能快速释放水分，25次循环测试中无泄漏和结构损坏，且在经济、可扩展性等方面具有优势。

图4. 3D打印CASN-Li整体材料的水分释放性能及综合性能评价。  

5. 3D打印CASN-Li整体材料快速湿度调节的演示，搭建透明丙烯酸装置进行实验，并通过COMSOL软件模拟，研究CASN-Li整体材料在实际装置中的除湿和再生效果。结果显示，一块CASN-Li能快速降低装置内相对湿度，增加吸附剂数量可加快除湿速度，除湿和再生过程能耗低，模拟与实验结果一致性良好。

图5. 3D打印CASN-Li整体材料快速湿度调节的演示。

研究结论
在全球范围内，室内除湿对于保障人体健康、提升舒适度，以及应对气候变化、推动可持续发展至关重要。本研究通过3D打印技术制备出具有仿生多孔结构的CASN-Li整体材料，用于快速湿度调节。直接墨水书写3D打印与化学交联相结合，使该整体材料具备毫米和微米尺度的多尺度孔隙，特别是3D打印形成的毫米级垂直定向通道，增加了与环境湿气的接触面积，有利于CASN-Li整体材料的吸湿和放湿。在60%相对湿度下，该3D打印整体材料的吸水速率比块状吸附剂高2.1倍，且20分钟内可释放80%以上的吸水量。装置级的演示实验表明，一块CASN-Li整体材料能在25分钟内，将体积为自身6750倍空间内的相对湿度从90%降至60%以下。这显示出3D打印结合基于吸附的大气集水技术，在高效湿度管理方面具有广阔的应用前景。

文章来源：
https://doi.org/10.1002/adfm.202508512