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中国科大研制出可吸附雾霾的智能窗纱
 

近年来,不少研究人员相继提出了多种方案收集过滤室内漂浮着的雾霾微粒,净化个人的居住环境,例如通过静电吸附、聚合物纤维吸附以及金属有机骨架配合物吸附等物理方式。但是这些材料的生产或者依赖于昂贵的制造设备,或者需要复杂的制备工艺,基本都无法完成大规模生产。



近日,中国科学技术大学俞书宏教授领导的团队采用纱窗上常用的尼龙(聚酰胺)网纱为基底,通过“浸染自组装”的方法对网纱中的聚酰胺纤维进行Ag NW(Ag nanowire)涂覆,成功研制出了超大面积的柔性透明智能窗纱。研究论文以“Mass-Production of Nanowire-Nylon Flexible Transparent Smart Windows for PM2.5 Capture”为题,发表于美国Cell出版社的新刊iScience上(预计将于2019年2月22日正式出版)。论文作者为合肥微尺度物质科学国家研究中心博士生黄蔚然等。



1、超强的雾霾吸附力

这种窗纱材料具有高达99.65%的雾霾去除效率。只需50秒即可将PM2.5密度从严重污染(248毫克/立方米)降至良好(32.9毫克/平方米)。将空间扩大至0.5m3后,雾霾去除率仍然可以达到99.48%。



除此之外,该材料可以循环使用,吸附雾霾颗粒物之后,只需在乙醇中浸泡20分钟,就可以再次使用,而且在100次重复使用后雾霾去除效率并没有降低。



吸附后与清洗后的SEM和EDX扫描图像



2、良好的物理机械性能

机械柔韧性和稳定性是决定柔性透明电子器件寿命的两个重要因素。为了确认该材料的物理机械性能,研究人员进行了弯曲疲劳测试和拉伸往复测试。



弯曲测试结果表明,该材料在最小弯曲半径为2.0mm的10000次弯曲疲劳测试中,随着弯曲半径的减小,材料电阻没有发生明显变化,在超过10,000次弯曲循环后电阻仅从15.2变化到19.3U,表明其优异的稳定性和可逆性。

拉伸测试结果表明,在最大拉伸变形率为10%的1000次拉伸往复测试中,材料的结构和强力都没有明显变化,明显优于传统的ITO加热器和基于石墨烯的加热器,后两者分别只能承受1.10%和4.0%的拉伸形变。


3、敏感的电热温变效应

对这种窗纱材料施加较小的电压,它就可以达到很高的温度,当相应的施加电压为1.0V、1.5V、2.0V、2.5V、3.0V和3.5V时,材料可以升温至33.3℃、42.6℃、54.4℃、71.0℃、82.5℃升及105.1℃。这比大多数传统的纳米结构材料升温所需电压要小得多,如石墨烯薄膜需要的电压为60V,三层石墨烯薄膜需要30V,单壁碳纳米管薄膜需要12V,Ag NW薄膜需要7V等。


利用材料的这一特性可以与热致变色染料结合在一起,从而通过热刺激改变窗纱的颜色或者透射率,甚至可以将其与仿生变色、柔性机器人等结合在一起,获得更多智能温变效果。


不同涂覆形状的温变测试效果


4、超高的生产效率和性价比

研究人员在20分钟内即可制备约7.5平方米的智能窗纱材料,加上人工费、材料费、设备损耗等,总共的花费约100元(15.03美元),就可以得到透光率86.05%、空气净化效率99.65%的智能窗纱材料。可以说,这种材料未来将会具有非常高的市场应用价值,同时也很有可能成为防雾霾口罩及空气净化器的替代材料。

虽然这种窗纱材料具有诸多优点,但距离大规模市场应用仍有一些问题要处理,比如,窗纱的涂覆材料Ag NW在空气中不太稳定,容易与大气中的硫化物发生反应,暴露在空气中1年后,材料就会变成淡黄色。

 
     
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