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中國科大研制出可吸附霧霾的智能窗紗
 

近年來,不少研究人員相繼提出了多種方案收集過濾室內漂浮著的霧霾微粒,凈化個人的居住環境,例如通過靜電吸附、聚合物纖維吸附以及金屬有機骨架配合物吸附等物理方式。但是這些材料的生產或者依賴于昂貴的制造設備,或者需要復雜的制備工藝,基本都無法完成大規模生產。



近日,中國科學技術大學俞書宏教授領導的團隊采用紗窗上常用的尼龍(聚酰胺)網紗為基底,通過“浸染自組裝”的方法對網紗中的聚酰胺纖維進行Ag NW(Ag nanowire)涂覆,成功研制出了超大面積的柔性透明智能窗紗。研究論文以“Mass-Production of Nanowire-Nylon Flexible Transparent Smart Windows for PM2.5 Capture”為題,發表于美國Cell出版社的新刊iScience上(預計將于2019年2月22日正式出版)。論文作者為合肥微尺度物質科學國家研究中心博士生黃蔚然等。



1、超強的霧霾吸附力

這種窗紗材料具有高達99.65%的霧霾去除效率。只需50秒即可將PM2.5密度從嚴重污染(248毫克/立方米)降至良好(32.9毫克/平方米)。將空間擴大至0.5m3后,霧霾去除率仍然可以達到99.48%。



除此之外,該材料可以循環使用,吸附霧霾顆粒物之后,只需在乙醇中浸泡20分鐘,就可以再次使用,而且在100次重復使用后霧霾去除效率并沒有降低。



吸附后與清洗后的SEM和EDX掃描圖像



2、良好的物理機械性能

機械柔韌性和穩定性是決定柔性透明電子器件壽命的兩個重要因素。為了確認該材料的物理機械性能,研究人員進行了彎曲疲勞測試和拉伸往復測試。



彎曲測試結果表明,該材料在最小彎曲半徑為2.0mm的10000次彎曲疲勞測試中,隨著彎曲半徑的減小,材料電阻沒有發生明顯變化,在超過10,000次彎曲循環后電阻僅從15.2變化到19.3U,表明其優異的穩定性和可逆性。

拉伸測試結果表明,在最大拉伸變形率為10%的1000次拉伸往復測試中,材料的結構和強力都沒有明顯變化,明顯優于傳統的ITO加熱器和基于石墨烯的加熱器,后兩者分別只能承受1.10%和4.0%的拉伸形變。


3、敏感的電熱溫變效應

對這種窗紗材料施加較小的電壓,它就可以達到很高的溫度,當相應的施加電壓為1.0V、1.5V、2.0V、2.5V、3.0V和3.5V時,材料可以升溫至33.3℃、42.6℃、54.4℃、71.0℃、82.5℃升及105.1℃。這比大多數傳統的納米結構材料升溫所需電壓要小得多,如石墨烯薄膜需要的電壓為60V,三層石墨烯薄膜需要30V,單壁碳納米管薄膜需要12V,Ag NW薄膜需要7V等。


利用材料的這一特性可以與熱致變色染料結合在一起,從而通過熱刺激改變窗紗的顏色或者透射率,甚至可以將其與仿生變色、柔性機器人等結合在一起,獲得更多智能溫變效果。


不同涂覆形狀的溫變測試效果


4、超高的生產效率和性價比

研究人員在20分鐘內即可制備約7.5平方米的智能窗紗材料,加上人工費、材料費、設備損耗等,總共的花費約100元(15.03美元),就可以得到透光率86.05%、空氣凈化效率99.65%的智能窗紗材料?梢哉f,這種材料未來將會具有非常高的市場應用價值,同時也很有可能成為防霧霾口罩及空氣凈化器的替代材料。

雖然這種窗紗材料具有諸多優點,但距離大規模市場應用仍有一些問題要處理,比如,窗紗的涂覆材料Ag NW在空氣中不太穩定,容易與大氣中的硫化物發生反應,暴露在空氣中1年后,材料就會變成淡黃色。

 
     
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