Filtro de aire de nanofibras de poliuretano transparente para captura de PM2.5 de alta eficiencia

Resultados y discusión

Caracterización de morfología y estructuras

Una de las tendencias importantes en la caracterización de membranas de nanofibras es la morfología de la superficie de la membrana. La morfología de la membrana de nanofibras de TPU se observó mediante SEM, y el voltaje utilizado fue un sistema de imágenes de barrido de 10 kV. Como se muestra en la Fig. 2a-f, las morfologías microscópicas de la membrana de nanofibras obtenidas de la solución de TPU de electrohilado se muestran bajo diferentes concentraciones de TPU de 6% en peso, 8% en peso, 10% en peso, 12% en peso, 14% en peso y 16% en peso, respectivamente. Cuando las concentraciones de TPU están entre el 6% en peso y el 12% en peso (Fig. 2a-d), hay muchas nanofibras en forma de perlas de diferentes tamaños. Esto se puede atribuir a la baja viscosidad de la cadena molecular del polímero TPU con la baja concentración de la solución de TPU. Por lo tanto, en el proceso de electrohilado de una solución de TPU de baja concentración, la eyección fue difícil de resistir el estiramiento de la fuerza del campo eléctrico [32]. Además, debido a la viscoelasticidad de la cadena molecular de TPU, la eyección estirada por la fuerza del campo eléctrico se agregará para formar nanofibras con cuentas [33]. Sin embargo, a medida que aumenta la concentración de TPU, la viscosidad de la solución aumenta y el proceso de electrohilado formará nanofibras en lugar de nanofibras con cuentas, por lo que las nanofibras con cuentas se vuelven cada vez menos y finalmente desaparecen por completo (Fig. 2e-f). Por otro lado, la viscosidad de la solución es un parámetro importante que afecta el diámetro de la nanofibra [34]. Cuando aumenta la concentración de la solución de TPU, la viscosidad de la solución también aumenta, por lo que el diámetro de la nanofibra aumenta, como se muestra en la Fig. 2a-f. Cuando la concentración de TPU es superior al 14% en peso, el diámetro de las nanofibras aumenta rápidamente (Fig. 2e-f). NanMeasurer calcula el diámetro medio de la nanofibra. El diámetro promedio de nanofibras de TPU es ~ 0.10 μm, ~ 0.12 μm, ~ 0.14 μm, ~ 0.17 μm, ~ 0.34 μm y ~ 1.97 μm, correspondiente a TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU-12, TPU -14 y TPU-16.

Imágenes SEM de TPU electrohilado. Imágenes a – f SEM y distribuciones de diámetro con concentraciones de TPU de 6% en peso, 8% en peso, 10% en peso, 12% en peso, 14% en peso y 16% en peso, respectivamente

Análisis del espectro infrarrojo por transformada de Fourier

Para identificar la composición de la membrana de nanofibras de TPU preparada, es necesario realizar un análisis de espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) en la muestra. Primero, precaliente el equipo durante una hora y media, la presión se controla a 15 Mpa, el voltaje de trabajo es de 220 V, la temperatura ambiente se controla a 20 ° C, la humedad ambiental se controla al 40%, la frecuencia es de 50 Hz, y la corriente es de 7,5 A. Los resultados de la prueba son los que se muestran en la Fig. 3, que obviamente es el mismo que el espectro infrarrojo del sustrato de poliuretano. El espectro se muestra en la Fig. 3. Se observaron fuertes picos de absorción en los números de onda 3330,18 cm ^-1 , 2960,51 cm ^-1 y 1215,86 cm ^-1 , lo que indica la presencia de grupos funcionales N – H y C – H. La superficie de la nanofibra de TPU tiene grupos funcionales hidrófobos y la superficie de la membrana de la fibra es lisa y densa. Entonces, el filtro de aire transparente preparado tiene una cierta función hidrofóbica. Debido a la naturaleza hidrofóbica de la membrana de fibra de TPU, el filtro de aire transparente de TPU puede abrir la ventana en días lluviosos.

Composición de membrana de nanofibras de TPU. Demostración FTIR de TPU que indica la presencia de varios grupos funcionales

Análisis de eficiencia de filtración

La eficiencia de la filtración es el parámetro más importante para evaluar los filtros de aire transparentes. La prueba de eficiencia de filtración se llevó a cabo en diferentes membranas de fibra de TPU. En este estudio, las condiciones de prueba fueron las mismas, la temperatura fue de 20 ° C, la humedad relativa fue del 40,6%, el caudal es de 2,0 m ³ / h, y los contaminantes PM son partículas en aerosol. La distribución de tamaño de PM y el efecto de filtración de cada muestra se muestran en la Fig. 4a. La eficiencia de la filtración se correlaciona positivamente con el tamaño de las partículas de PM. Para el mismo tamaño de partículas de PM, como PM2.5 (Fig. 4b), con un aumento de la concentración de TPU de 6 a 12% en peso, la eficiencia de remoción aumenta significativamente, lo que puede atribuirse al hecho de que la membrana se agitó por las nanofibras de mayor diámetro son mejores que las partículas resistentes a las partículas. Sin embargo, con la concentración de TPU aumenta del 12 al 16% en peso, el aumento en el espacio entre las fibras y la desaparición de las fibras del cordón de cuentas da como resultado una disminución significativa en la eficiencia de remoción de la membrana de fibra de TPU [18]. El aumento de la concentración de la solución hace que el alargamiento del chorro de electrohilado sea más difícil y más lento, lo que da como resultado un aumento del tamaño de los poros de la membrana de la fibra de TPU. La Figura 4c-e muestra el paso de material particulado a través de membranas de fibra de diferentes diámetros. El diámetro de fibra más grande evita efectivamente que el PM pase a través de la membrana de la fibra y, a medida que la concentración de TPU aumenta, el diámetro de la fibra aumenta, pero la distancia entre las fibras de fase también aumenta, lo que resulta en una disminución en la eficiencia de filtración. La mayor eficiencia de eliminación de PM2.5 es el TPU-12. Cuando el diámetro de las partículas es ≥ 0,525 μm, la eficiencia de eliminación es del 100% y la caída de presión es de solo 10 Pa. Además, la eficiencia de eliminación de TPU-10 en PM2.5 es del 99,654%.

Evaluación de la eficiencia de filtración de la membrana de fibra de TPU. un Eliminar la eficiencia de PM de diferentes tamaños con concentraciones de TPU de 6% en peso, 8% en peso, 10% en peso, 12% en peso, 14% en peso y 16% en peso, respectivamente. b Eficiencia de eliminación de PM2.5 de diferentes concentraciones de membranas de fibra de TPU. c - e PM a través de membranas de fibra de diferentes diámetros

Análisis de la tasa de ventilación

Mantener una alta ventilación es una propiedad importante para evaluar el rendimiento del filtro de aire. Se analizaron seis muestras para determinar la tasa de ventilación en las mismas condiciones. El área de medición era de 20 cm ² y la presión de medición fue 200 Pa. La tasa de ventilación de diferentes concentraciones de membranas de nanofibras de TPU se muestra en la Fig. 5a, y la caída de presión correspondiente es 6 Pa, 15 Pa, 12 Pa, 10 Pa, 7 Pa y 9 Pa. La tasa de ventilación de las diferentes membranas de TPU comienza a descender primero, luego se mantiene en incrementos y finalmente cae ligeramente, lo que corresponde al aumento de la concentración de la solución del 6 al 8% en peso, del 8 al 14% en peso y del 14 al 16% en peso. Hay dos razones principales para afectar la tasa de ventilación:la densidad de empaquetamiento de nanofibras y el diámetro promedio de la fibra [34]. La densidad de empaquetamiento de nanofibras se calcula de la siguiente manera:

$$ \ alpha =\ frac {W} {\ rho_fZ} $$ (1)

Evaluación de la tasa de ventilación de la membrana de fibra de TPU. un Tasa de ventilación de diferentes concentraciones de membranas de fibra de TPU. b - e El aire pasa a través de fibras de diferentes diámetros

Aquí, α es la densidad de empaquetamiento de nanofibras, W es el peso base de la membrana de nanofibras, ρ _f es la densidad del nanomaterial y Z es el espesor de la película de nanofibras. La tasa de ventilación comienza a disminuir principalmente debido a la adición de diámetros promedio de nanofibras de TPU (Fig. 5b, c). A medida que la concentración de TPU aumenta del 8 al 14% en peso, la disminución de la densidad de empaquetamiento de las nanofibras conduce a un aumento de la distancia entre las nanofibras, lo que es beneficioso para la velocidad de ventilación, aunque el diámetro de las nanofibras aumenta (Fig. 5d). Cuando la membrana de nanofibras está hecha de una solución con una concentración de TPU de 14 a 16% en peso, el diámetro de las nanofibras juega un papel crucial en la tasa de ventilación y la tasa de ventilación asociada cae ligeramente (Fig. 5e). Cuando la concentración de TPU aumenta al 10% en peso, la tasa de ventilación es de hasta 3480 mm / s, una tasa de ventilación tan alta equivale a una pantalla en blanco sin una membrana de nanofibras.

Análisis del ángulo de contacto

La hidrofobicidad es un parámetro importante para evaluar el rendimiento de los filtros de aire, y DSA midió la humectabilidad de la membrana de fibra de TPU obtenida utilizando una gota de 5 μL. Los resultados se muestran en la Fig. 6a-f, los ángulos de contacto son 138,6 °, 133,4 °, 128,5 °, 122,8 °, 112,7 ° y 107,7 °, correspondientes a TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU- 12, TPU-14 y TPU-16. El ángulo de contacto de todas las muestras fue superior a 90 °, lo que indica que el filtro de aire transparente preparado con polímero TPU es altamente hidrofóbico debido a los grupos funcionales hidrofóbicos en la superficie de la membrana de nanofibras de TPU, el pequeño diámetro de la fibra conduce a una superficie lisa de la membrana y estructura densa membrana de fibra. Sin embargo, a medida que aumenta la concentración de TPU, el ángulo de contacto se vuelve cada vez más bajo (Fig. 6g), debido a que la rugosidad de la superficie de la membrana de la fibra aumenta. La relación entre el ángulo de contacto y la rugosidad de la superficie de la membrana de nanofibras se puede entender mediante la ecuación de Wenzel, que se define de la siguiente manera:

$$ \ cos \ theta '=r \ cos \ theta $$ (2)

Caracterización del ángulo de contacto de la membrana de fibra de TPU. a – f Prueba del ángulo de contacto de diferentes concentraciones de membranas de fibra de TPU utilizando gotas de 5 μL. g Ángulo de contacto de diferentes concentraciones de membrana de fibra de TPU. h - yo Gotas en la superficie de fibras de diferentes diámetros.

Aquí, r es el factor de rugosidad de la superficie, que es la proporción entre el área real de la superficie y el área geométrica proyectada ( r ≥ 1), θ ^′ es el ángulo de contacto de la superficie rugosa. Como se muestra en la Fig. 6h – i, a medida que aumenta la concentración de TPU, aumenta el diámetro de la nanofibra de TPU y aumenta la rugosidad de la superficie de la membrana de nanofibras, lo que da como resultado un ángulo de contacto cada vez más bajo.

Pruebas de transparencia y reproducibilidad

Otro parámetro importante del filtro de aire transparente es la transmisión; se probó la transmitancia de las seis muestras y los resultados se muestran en la Fig. 7a. Se encontró que la transmitancia primero siguió disminuyendo y luego aumentó, lo que corresponde al aumento en la concentración de TPU del 6 al 12% en peso y del 12 al 16% en peso. Cuando la concentración de TPU es de 6 a 12% en peso, la transmitancia de la membrana de la fibra se reduce gradualmente, principalmente porque la concentración de la solución es demasiado baja al principio (como 6% en peso y 8% en peso), y el proceso de electrohilado no lo hace. no forman fibras fácilmente. Cuando la concentración de la solución aumenta, la concentración de la solución es más adecuada para el electrohilado, de modo que se forman cada vez más fibras por electrohilado. El diámetro de la nanofibra también se vuelve más grande y la membrana de la fibra se vuelve más y más gruesa, de modo que puede pasar menos luz a través de la membrana de la fibra. Por otro lado, dado que la concentración de la solución es demasiado baja, el electrohilado forma una gran cantidad de perlas (Fig. 2a-d), lo que es adverso para que la luz pase a través de la membrana de la fibra. Cuando la concentración de la solución es del 12 al 16% en peso, la transmitancia de la membrana de la fibra aumenta gradualmente, principalmente porque la viscosidad de la solución aumenta y el proceso de electrohilado se vuelve difícil gradualmente, de modo que se produce menos nanofibras. Otra razón es que a medida que aumenta la concentración de la solución, el hilo de cuentas desaparece, contribuyendo a que pase más luz a través de la membrana de la fibra. Transmisiones de 80%, 75%, 60%, 30%, 45% y 70%, correspondientes a TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU-12, TPU-14 y TPU-16. El TPU-10 no solo tiene una eficiencia de filtración del 99,654% y la tasa de transmisión es tan alta como el 60%. La Figura 7b muestra la fotografía de la membrana de nanofibras TPU-10 con una transmitancia del 60%. Para los filtros de aire con una transmisión de más del 50%, se puede transmitir suficiente luz a través de la habitación para cumplir con los requisitos de iluminación interior.

Propiedades de transmisión de la membrana de fibra de TPU. un Transmitancia de diferentes concentraciones de membrana de fibra de TPU. b Fotografías de la concentración de TPU de un 10% en peso de filtros de aire transparentes con un 60% de transparencia

Teniendo en cuenta que el rendimiento de filtración a largo plazo y el alto flujo de aire son factores importantes en los filtros de aire, hemos reciclado membranas de fibra de TPU y continuamos probando la eficiencia de filtración y la tasa de ventilación, y los resultados se muestran en la Fig. 8. La Figura 8a muestra barras de error para Eficiencia de eliminación combinada de 10 ciclos de prueba de filtración de PM2.5 de membrana de nanofibras de TPU. Después de 10 pasadas de filtración con TPU-10, la eficiencia de filtración solo se redujo en un 1,6% (de 99,4 a 97,8%). Además, en la Fig. 8b se muestran barras de error para las tasas de aireación de los 10 ciclos de prueba para diferentes membranas de fibra de concentración de TPU. La tasa de ventilación cambió lentamente y no disminuyó significativamente. Después de diez pruebas de aliento, la tasa de ventilación solo se redujo en unos 10 mm / s, lo que indica que el efecto de la ventilación es muy estable.

Reproducibilidad de la tasa de ventilación y eficiencia de remoción de la membrana de fibra compuesta. un Reproducibilidad de la eficiencia de remoción. b Reproducibilidad de la tasa de ventilación

Conclusión

En resumen, utilizamos una hilera de cuentas giratorias para electrohilado para crear un filtro de aire transparente que se puede producir a gran escala. Al cambiar la concentración de polímero de TPU en solución, no solo se logra una eficiencia significativa de eliminación de PM2.5 (99,654%), sino también una buena transparencia óptica (60%) y una tasa de ventilación (3480 mm / s). Además, al realizar 10 ciclos de pruebas de filtración y ventilación de gas en el filtro de aire transparente de TPU, los resultados mostraron que la eficiencia de filtración solo se redujo en un 1.6%, y la tasa de ventilación se cambió muy lentamente y permaneció sustancialmente sin cambios. Estos resultados indican que las membranas de nanofibras de TPU preparadas por electrohilado tienen muchas ventajas, como buena repelencia al agua, buena transparencia óptica, alta tasa de ventilación y alto rendimiento de filtración, que se pueden utilizar como materiales filtrantes en muchos campos.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

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