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Nano Spark｜如何用氣溶膠技術(shù)在纖維表面快速沉積納米粒子（一）

復(fù)納科技 2024-04-02 | 閱讀：961

纖維表面沉積納米材料的方式

納米顆粒尤其是無(wú)機(jī)納米粒子在催化，能源，生命科學(xué)以及傳感等領(lǐng)域都表現(xiàn)出了卓越的性能，從而受到廣泛的關(guān)注。由于納米材料本身的特性，為了保證在實(shí)際使用時(shí)的穩(wěn)定性與長(zhǎng)效性，一般會(huì)采用將納米粒子以負(fù)載或原位構(gòu)筑的方式與基底材料結(jié)合，從而獲得負(fù)載型催化劑，導(dǎo)電織物等改性材料。通過(guò)與納米技術(shù)的結(jié)合，可以獲得多種功能性纖維材料，應(yīng)用在可穿戴，抗菌，能源催化領(lǐng)域。

在纖維表面沉積納米材料的方式有多種，可分為原位與非原位的方式。通常將在纖維表面直接構(gòu)筑納米結(jié)構(gòu)的方式稱為原位合成，該方式可得到負(fù)載均勻的纖維材料，但依賴前驅(qū)體在纖維表面的化學(xué)合成過(guò)程，且會(huì)產(chǎn)生較多的化學(xué)廢料，限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。

非原位的方法即先制備納米材料，并將其加工為分散液，利用浸漬提拉或者噴涂等手段實(shí)現(xiàn)納米負(fù)載。該方法容易造成分布不均，還會(huì)造成原料的大量浪費(fèi)。

液相沉積法

氣相沉積是一種較為成熟的沉積方案，但傳統(tǒng)的方式如：蒸發(fā)法或?yàn)R射法，離子鍍都依賴于真空環(huán)境，設(shè)備較為復(fù)雜，同時(shí)對(duì)基底纖維可能造成熱損傷和機(jī)械損傷。同時(shí)，由于纖維膜本身具備一定的厚度，真空鍍膜的方式很難保證顆粒能穿透進(jìn)入孔隙之中。原子層沉積技術(shù)是一種靈活性高，且可控性強(qiáng)的薄膜沉積技術(shù)，其穿透性強(qiáng)，從單原子到致密的薄膜的合成均可滿足。但對(duì)于有機(jī)聚合物纖維基底，其反應(yīng)效率太低，且工藝要求較高，目前尚無(wú)工業(yè)應(yīng)用。

氣相以及電鍍沉積方案

對(duì)于催化等應(yīng)用，理想的負(fù)載結(jié)合為小尺寸的納米顆粒均勻的分散在纖維表面，而不是形成致密的薄膜，同時(shí)由于纖維膜有一定的厚度，傳統(tǒng)的方案很難保證纖維膜的表層與內(nèi)層都負(fù)載有均勻的顆粒。

因此，一種環(huán)保，簡(jiǎn)便的納米顆粒負(fù)載技術(shù)對(duì)于開(kāi)發(fā)新一代功能纖維材料非常重要。但目前的方案，包括使用 PVD 或 CVD 的方法，都很難做到纖維層內(nèi)外的均勻負(fù)載，同時(shí)獲得的多為薄膜層，而不是分散的納米粒子團(tuán)簇。而在催化反應(yīng)中，這些分散的顆粒才是反應(yīng)的活性位點(diǎn)。

內(nèi)外兼修才是纖維負(fù)載的目標(biāo)

事實(shí)上，納米級(jí)的顆粒如果更換分散介質(zhì)在氣相環(huán)境中，也可以形成一種穩(wěn)定的分散系：氣溶膠（詳情見(jiàn)??：氣溶膠，病毒與口罩）。而將氣溶膠技術(shù)與過(guò)濾技術(shù)結(jié)合，便可以輕松實(shí)現(xiàn)纖維表面的負(fù)載沉積。這一方法借鑒了“口罩”過(guò)濾的方式，納米級(jí)氣溶膠會(huì)在氣流的帶動(dòng)下，從過(guò)濾介質(zhì)的孔隙中穿過(guò)，顆粒則會(huì)在這一過(guò)程中均勻的分散在基底表面與內(nèi)層。

利用“過(guò)濾”的方式均勻的負(fù)載納米粒子

這一方法原理與過(guò)濾空氣中的有害顆粒物類似，氣溶膠顆粒會(huì)在氣流的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)均勻的沉積。而產(chǎn)生納米氣溶膠的方式則為一種全新的大氣壓等離子火花燒蝕技術(shù)。這一方法可在常壓條件下，溫和的實(shí)現(xiàn)納米粒子的軟著陸，避免了熱沖擊對(duì)于基底的破壞，同時(shí)保證了顆粒在纖維基底表面的分散以及粒徑控制。該方法可以實(shí)現(xiàn)單質(zhì)，氧化物，合金在內(nèi)的多種納米復(fù)合體系制備，并且與多種技術(shù)進(jìn)行結(jié)合。