Filtro de nanofibras de poliuretano transparente: Captura ultraeficiente PM2.5 para aire más limpio

Resumen

La materia particulada fina (PM) ha afectado seriamente la vida humana, como salud, clima y medio ambiente ecológico. Recientemente, muchos investigadores usan electrohilado para preparar filtros aire nanofibras para eliminación efectiva PM fino. Sin embargo, el electrohilado de fibras poliméricas sobre malla ventana uniformemente solo se logra en laboratorio, y la industrialización sigue siendo muy desafiante. Aquí reportamos método electrohilado usando boquilla giratoria de cuentas para electrohilado a gran escala de poliuretano termoplástico (TPU) sobre malla conductiva con alta productividad 1000 m²/día. Al cambiar concentración TPU en solución polimérica, eficiencia eliminación PM2.5 filtro aire nanofibras alcanza 99,654% con buena transparencia óptica 60%, y ángulo contacto y tasa ventilación filtro son 128,5° y 3480 mm/s respectivamente. Tras 10 ciclos filtración, eficiencia eliminación solo reduce 1,6%. Este filtro aire transparente basado en nanofibras TPU tiene excelente eficiencia filtración y tasa ventilación, asegurando efectivamente calidad aire interior edificios residenciales.

Introducción

La materia particulada fina (PM) está compuesta por diversas partículas sólidas finas y gotitas con cientos de componentes químicos. PM se compone principalmente de tres sustancias químicas principales: iones solubles en agua, compuestos con carbono y otros compuestos inorgánicos. PM proviene principalmente de quema combustibles fósiles y basuras, rico en sustancias tóxicas y particulados dañinos. Según tamaño diámetro partícula, PM se divide principalmente en PM2.5 y PM10, significando diámetro aerodinámico <2,5 μm y <10 μm. PM10 permanece en aire minutos a horas con distancia viaje limitada; PM2.5 tiene tiempo residencia largo en atmósfera, durando días a semanas. Incluso si PM2.5 cae al suelo, fácilmente vuelve al aire por viento. A través de respiración, PM2.5 entra al cuerpo y se acumula en tráquea o pulmón, afectando negativamente salud humana. PM2.5 también impacta mayormente clima y medio ambiente ecológico, como afectar proceso lluvia. En últimos 10 años, contaminación aire PM2.5 se vuelve más seria, especialmente en países en desarrollo como China e India. En vida diaria, gente en esos países a menudo encuentra niebla severa. Por esto, es muy necesario tomar protección contra PM2.5.

Actualmente, medidas protección contra niebla severa se centran en protección personal exterior, como mascarillas polvo profesionales que filtran efectivamente materia particulada. Protección personal interior, como sistemas ventilación y purificadores aire, son caros, complicados instalar y requieren reemplazo elementos filtrantes. Filtros aire interior generalmente proveen protección edificios comerciales, debido a alto coste sistemas bombeo para intercambio aire activo. Recientemente, dos filtros aire transparentes para edificios residenciales por ventilación pasiva ventanas han aparecido. Uno es filtro membrana porosa, pero porosidad muy baja, no logrando alta ventilación. Otro es filtro aire nanofibras, porosidad puede alcanzar 70% y lograr alta ventilación. Algunos laboratorios prepararon variedad pantallas ventana proteger calidad aire interior con nanofibras. Por ejemplo, Chen et al. reportaron filtro aire usando TPU polimérico electrohilado; filtro aire nanofibras TPU muy efectivo eliminando PM2.5 (98,92%) con caída presión muy baja (10 Pa). Khalid et al. reportaron pantalla ventana nanofibras por tecnología soplado directo, con buena transparencia óptica (80%) y alta eficiencia filtración PM2.5 (99%). Liu et al. prepararon filtro aire transparente por electrohilado, logrando alta ventilación y alta eficiencia filtración PM2.5 (>95,0%). Sin embargo, esta investigación se desarrolló en laboratorios y la investigación del proceso industrial filtro nanofibras es escasa.

En años recientes, tecnología electrohilado ha recibido amplia atención por bajo consumo energía, operación simple y métodos ecológicos preparar nanofibras. Membranas nanofibras preparadas por electrohilado tienen alta porosidad, micro-nano canales interconectados y alta área superficial específica. Recientemente, nuestro equipo desarrolló filtro aire nanofibras TPU producible en masa usando boquilla giratoria cuentas. Este filtro aire tiene muy alta estabilidad térmica, buena transparencia óptica 60%, alta eficiencia eliminación PM2.5 99,654%, larga vida, baja resistencia flujo aire (tasa ventilación 3348 mm/s) y ligereza.

Experimental

Materiales e Instrumentos

Polímero TPU obtenido de Bayer Co., Ltd., Alemania, con resistencia desgarro, abrasión y protección UV; sustrato malla conductiva provisto por Qingdao Junada Technology Co., Ltd., China. N,N-dimetilformamida (DMF) y acetona provistos por Tianjin Zhonghe Shengtai Chemical Co., Ltd. Microscopía electrónica barrido (SEM Feiner High Resolution Professional Edition Phenom Pro) usada para estudiar morfología fibras TPU. Probador automático rendimiento filtración FX3300 Lab Air-IV para evaluar rendimiento filtración, comprado Shanghai Lippo Co., Ltd., China. AFC-131 para probar tasa ventilación comprado Shanghai Huifen Electronic Technology Co., Ltd. Thermo Scientific Nicolet iS5 para medir infrarrojo y analizar grupos funcionales membrana fibras TPU. Medidor ángulo contacto óptico Theta para analizar ángulo contacto película fibras TPU. Transmitancia luz evaluada usando espectrofotómetro UV1901PC ultravioleta comprado Shanghai Aoxiang Scientific Instrument Co., Ltd., China.

Preparación Membranas Nanofibrosas

Membrana nanofibras TPU fabricada usando equipo electrohilado NES-1 (Qingdao Junada Technology Co., Ltd.), mostrado Fig. 1a. Bastidor principal: 2350 mm largo, 2200 mm ancho, 2700 mm alto, peso 1980 kg. Pantalla táctil Siemens PLC, potencia 30 kV, ancho hilado 1,1 m. Diámetro promedio fibra ~120 nm, peso membrana nanofibras ~0,5 g/m². Sustrato apto celulosa, fibra sintética, etc., material polimérico apto TPU, PVP, PAN, etc. Principio electrohilado mostrado Fig. 1b, diagrama esquemático membrana nanofibras producida electrohilado Fig. 1c. Solución electrohilado: disolver diferentes masas TPU en solvente mezcla relación volumétrica DMF:acetona 1:1; voltaje hilado presión positiva 30 kV y presión negativa alta -30 kV, resultando chorro estable; velocidad movimiento sustrato 10 m/min; distancia hilado controlada 200 mm. Temperatura y humedad relativa controladas 25 °C y 50% HR. Para obtener diferentes diámetros promedio nanofibras, concentración TPU solución ajustada 6-16% p/p. Solución TPU electrohilada sobre malla conductiva bajo mismas condiciones. Diferentes concentraciones membranas fibras TPU nombradas TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU-12, TPU-14, TPU-16 respectivamente.

Resultados y Discusión

Caracterización Morfología y Estructuras

Una tendencia importante en caracterización membranas nanofibras es morfología superficie membrana. Morfología membrana nanofibras TPU observada por SEM, voltaje 10 kV, sistema imagen escaneo. Fig. 2a-f muestran morfologías microscópicas membrana nanofibras obtenidas electrohilado solución TPU bajo concentraciones 6%, 8%, 10%, 12%, 14%, 16% p/p respectivamente. Cuando concentraciones TPU entre 6-12% (Fig. 2a-d), hay muchas nanofibras tipo cuentas de diferentes tamaños. Esto atribuible a baja viscosidad cadena molecular polímero TPU con baja concentración solución TPU. Por tanto, en proceso electrohilado solución TPU baja concentración, eyección difícil resistir estiramiento fuerza campo eléctrico. Además, debido a viscoelasticidad cadena molecular TPU, eyección estirada por fuerza campo eléctrico agrega formando nanofibras cuentas. Sin embargo, al aumentar concentración TPU, viscosidad solución aumenta, y proceso electrohilado formará nanofibras en lugar nanofibras cuentas, así nanofibras cuentas se vuelven menos y desaparecen completamente (Fig. 2e-f). Por otro lado, viscosidad solución parámetro importante afectando diámetro nanofibra. Al aumentar concentración solución TPU, viscosidad aumenta, así diámetro nanofibra aumenta (Fig. 2a-f). Cuando concentración TPU >14%, diámetro nanofibras aumenta rápidamente (Fig. 2e-f). Diámetro promedio nanofibra calculado por NanMeasurer. Diámetros promedio nanofibras TPU: ~0,10 μm, ~0,12 μm, ~0,14 μm, ~0,17 μm, ~0,34 μm, ~1,97 μm, correspondientes TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU-12, TPU-14, TPU-16.

Análisis Espectro Infrarrojo Transformada Fourier

Para identificar composición membrana nanofibras TPU preparada, necesario realizar espectroscopía infrarroja transformada Fourier (FTIR) en muestra. Primero, precalentar equipo 1,5 horas, presión 15 MPa, voltaje trabajo 220 V, temperatura ambiente 20 °C, humedad 40%, frecuencia 50 Hz, corriente 7,5 A. Resultados mostrados Fig. 3, obviamente mismo espectro infrarrojo sustrato poliuretano. Espectro Fig. 3. Picos absorción fuerte observados números onda 3330,18 cm^-1, 2960,51 cm^-1, 1215,86 cm^-1, indicando presencia grupos funcionales N-H y C-H. Superficie nanofibras TPU tiene grupos funcionales hidrofóbicos, superficie membrana fibra lisa y densa. Por tanto, filtro aire transparente preparado tiene cierta función hidrofóbica. Debido a naturaleza hidrofóbica membrana fibras TPU, filtro aire transparente TPU puede abrir ventana días lluviosos.

Análisis Eficiencia Filtración

Eficiencia filtración parámetro más importante evaluar filtros aire transparentes. Prueba eficiencia filtración realizada en diferentes membranas fibras TPU. Condiciones prueba iguales: temperatura 20 °C, humedad relativa 40,6%, caudal 2,0 m³/h, contaminantes PM son partículas aerosol. Distribución tamaño PM y efecto filtración cada muestra mostrados Fig. 4a. Eficiencia filtración correlaciona positivamente con tamaño partícula PM. Para mismo tamaño PM, como PM2.5 (Fig. 4b), al aumentar concentración TPU 6-12%, eficiencia eliminación aumenta significativamente, atribuible a que membrana tejida nanofibras mayor diámetro resisten mejor partículas PM. Sin embargo, al aumentar concentración 12-16%, aumento espacio entre fibras y desaparición nanofibras cuentas resulta en disminución significativa eficiencia eliminación membrana fibras TPU. Aumento concentración solución dificulta y ralentiza elongación chorro electrohilado, resultando aumento tamaño poro membrana fibras TPU. Fig. 4c-e muestran paso materia particulada través diferentes diámetros membranas fibras. Mayor diámetro fibra evita efectivamente paso PM a través membrana, y al aumentar concentración TPU, diámetro fibra aumenta, pero distancia entre fibras también aumenta, resultando disminución eficiencia filtración. Mayor eficiencia eliminación PM2.5 es TPU-12. Cuando diámetro partícula ≥0,525 μm, eficiencia eliminación 100%, caída presión solo 10 Pa. Además, TPU-10 eficiencia eliminación PM2.5 99,654%.

Análisis Tasa Ventilación

Mantener alta ventilación propiedad importante evaluar rendimiento filtro aire. Seis muestras probadas tasa ventilación bajo mismas condiciones. Área medida 20 cm², presión medida 200 Pa. Tasa ventilación diferentes concentraciones membranas nanofibras TPU mostrada Fig. 5a, caídas presión correspondientes 6, 15, 12, 10, 7, 9 Pa. Tasa ventilación diferentes membranas TPU comienza cayendo, luego mantiene aumentos y finalmente cae ligeramente, correspondiendo concentración solución aumentando 6-8%, 8-14%, 14-16%. Dos razones principales afectan tasa ventilación: densidad empaquetado nanofibras y diámetro promedio nanofibra. Densidad empaquetado nanofibras calculada: α = W/(ρ_fZ), donde α densidad empaquetado, W peso base membrana nanofibras, ρ_f densidad nanomaterial, Z espesor película nanofibras. Tasa ventilación comienza declinar principalmente por aumento diámetros promedio nanofibras TPU (Fig. 5b, c). Al aumentar concentración TPU 8-14%, disminución densidad empaquetado nanofibras lleva a aumento distancia entre nanofibras, beneficiando tasa ventilación, aunque diámetro nanofibras aumente (Fig. 5d). Cuando membrana nanofibras hecha solución concentración TPU 14-16%, diámetro nanofibra juega papel crucial tasa ventilación, y tasa asociada cae ligeramente (Fig. 5e). Cuando concentración TPU aumenta 10%, tasa ventilación hasta 3480 mm/s, equivalente a pantalla en blanco sin membrana nanofibras.

Análisis Ángulo Contacto

Hidrofobicidad parámetro importante evaluar rendimiento filtros aire, y mojabilidad membrana fibras TPU obtenida medida por DSA gota 5 μL. Resultados Fig. 6a-f, ángulos contacto 138,6°, 133,4°, 128,5°, 122,8°, 112,7°, 107,7°, correspondientes TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU-12, TPU-14, TPU-16. Ángulo contacto todas muestras >90°, indicando filtro aire transparente preparado con polímero TPU es altamente hidrofóbico debido a grupos funcionales hidrofóbicos superficie membrana nanofibras TPU, diámetro fibra pequeño lleva superficie membrana lisa y estructura densa membrana fibra. Sin embargo, al aumentar concentración TPU, ángulo contacto se vuelve menor (Fig. 6g), porque rugosidad superficie membrana fibra aumenta. Relación ángulo contacto y rugosidad superficie membrana nanofibras entendida por ecuación Wenzel: cos θ' = r cos θ, donde r factor rugosidad superficie (proporción área real superficie a área geométrica proyectada, r ≥ 1), θ' ángulo contacto superficie rugosa. Fig. 6h-i: al aumentar concentración TPU, diámetro nanofibra TPU aumenta, y rugosidad superficie membrana nanofibras aumenta, resultando ángulo contacto cada vez menor.

Pruebas Transparencia y Reproducibilidad

Otro parámetro importante filtro aire transparente es transmisión; transmitancia seis muestras probada y resultados Fig. 7a. Transmitancia primero disminuye y luego aumenta, correspondiendo aumento concentración TPU 6-12% y 12-16%. Cuando concentración TPU 6-12%, transmitancia membrana fibra reduce gradualmente, principalmente porque concentración solución muy baja al principio (ej. 6%, 8%), proceso electrohilado no forma fácilmente fibras. Al aumentar concentración, más adecuada para electrohilado, más fibras formadas. Diámetro nanofibra también mayor, membrana fibra más gruesa, menos luz pasa. Por otro lado, concentración solución muy baja, electrohilado forma gran cantidad cuentas (Fig. 2a-d), adverso para luz pasar. Cuando concentración 12-16%, transmitancia aumenta gradualmente, principalmente porque viscosidad solución aumenta, proceso electrohilado se vuelve difícil gradualmente, produciendo menos nanofibras. Otra razón: al aumentar concentración, cuentas desaparecen, permitiendo más luz pasar. Transmitancias 80%, 75%, 60%, 30%, 45%, 70%, correspondientes TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU-12, TPU-14, TPU-16. TPU-10 no solo eficiencia filtración 99,654% sino transmisión 60%. Fig. 7b fotografía membrana nanofibras TPU-10 60% transparencia. Filtros aire transmisión >50% transmiten luz suficiente para iluminación interior.

Considerando rendimiento filtración largo plazo y alto flujo aire factores importantes filtros aire, reciclamos membranas fibras TPU y continuamos probando eficiencia filtración y tasa ventilación, resultados Fig. 8. Fig. 8a barras error eficiencia eliminación combinada 10 ciclos prueba filtración PM2.5 membrana nanofibras TPU. Tras 10 pasadas filtración TPU-10, eficiencia solo reducida 1,6% (99,4% a 97,8%). Además, Fig. 8b barras error tasas aireación 10 ciclos prueba diferentes concentraciones membranas fibras TPU. Tasa ventilación cambió lentamente y no disminuyó significativamente. Tras diez pruebas respiración, tasa ventilación solo reducida ~10 mm/s, indicando efecto ventilación muy estable.

Conclusión

En resumen, usamos boquilla giratoria cuentas para electrohilado crear filtro aire transparente producible gran escala. Al cambiar concentración polímero TPU en solución, no solo se logra significativa eficiencia eliminación PM2.5 (99,654%), sino también buena transparencia óptica (60%) y tasa ventilación (3480 mm/s). Además, al realizar 10 ciclos filtración y ventilación en filtro aire transparente TPU, resultados mostraron eficiencia filtración solo reducida 1,6%, y tasa ventilación cambió muy lentamente permaneciendo sustancialmente inalterada. Estos resultados indican membranas nanofibras TPU preparadas por electrohilado tienen muchas ventajas: buena repelencia agua, buena transparencia óptica, alta tasa ventilación, alto rendimiento filtración, usables como materiales filtro en muchos campos.