Filtro de Nanofibras de Poliuretano Transparente: Captura Ultra-eficiente de PM2.5 para Ar Mais Limpo

Resumo

Matéria particulada fina (PM) tem afetado seriamente a vida humana, como saúde, clima e ambiente ecológico. Recentemente, muitos pesquisadores usam eletrofiação para preparar filtros de ar de nanofibras para remoção eficaz de matéria particulada fina. No entanto, a eletrofiação de fibras de polímero em tela de janela uniformemente só é alcançada em laboratório, e a realização da industrialização ainda é muito desafiadora. Aqui, relatamos um método de eletrofiação usando um fio de espinha rotativo para eletrofiação em larga escala de poliuretano termoplástico (TPU) em malha condutiva com alta produtividade de 1000 m²/dia. Ao alterar a concentração de TPU na solução polimérica, a eficiência de remoção de PM2.5 do filtro de ar baseado em nanofibras pode chegar a 99,654% com boa transparência óptica de 60%, e o ângulo de contato e a taxa de ventilação do filtro de ar baseado em nanofibras são 128,5° e 3480 mm/s, respectivamente. Após 10 ciclos de filtração, a eficiência de remoção é reduzida apenas em 1,6%. Este filtro de ar transparente baseado em nanofibras de TPU tem excelente eficiência de filtração e taxa de ventilação, que pode garantir efetivamente a qualidade do ar interno de edifícios residenciais.

Introdução

Matéria particulada fina (PM) é composta por várias partículas sólidas finas e gotículas com até centenas de componentes químicos. PM é composto principalmente por três substâncias químicas principais, incluindo íons solúveis em água, compostos contendo carbono e outros compostos inorgânicos. PM provém principalmente da queima de combustíveis fósseis e lixo, sendo rico em substâncias tóxicas e partículas nocivas. De acordo com o tamanho do diâmetro da partícula, PM é dividido principalmente em PM2.5 e PM10, o que significa que o diâmetro aerodinâmico das partículas é menor que 2,5 µm e 10 µm. PM10 permanece no ar de alguns minutos a algumas horas com distância de viagem limitada; no entanto, PM2.5 tem longo tempo de residência na atmosfera e pode durar de vários dias a várias semanas. Mesmo se PM2.5 cair no solo, é fácil ser soprado de volta ao ar pelo vento. Através do processo de respiração, PM2.5 pode entrar no corpo e se acumular na traqueia ou pulmão, afetando negativamente a saúde humana. PM2.5 também tem grande impacto no clima e ambiente ecológico, como afetar o processo de chuva. Nos últimos 10 anos, a poluição do ar por PM2.5 está se tornando cada vez mais séria, especialmente em alguns países em desenvolvimento como China e Índia. Na vida diária, pessoas nesses países frequentemente enfrentam clima de neblina severa. Por isso, é muito necessário tomar proteção contra PM2.5.

Atualmente, as medidas de proteção contra neblina severa focam principalmente na proteção pessoal externa, como uso de máscaras profissionais antipó, que podem filtrar efetivamente a matéria particulada. A proteção pessoal interna, como sistemas de ventilação e purificadores de ar, são caros, complexos para instalar e exigem substituição dos elementos filtrantes. Filtros de ar internos geralmente fornecem proteção para edifícios comerciais, devido ao alto custo de sistemas de bombeamento para troca ativa de ar. Recentemente, dois filtros de ar transparentes para edifícios residenciais por ventilação passiva de janelas surgiram no mercado consumidor. Um é filtro de membrana porosa, mas a porosidade deste filtro é muito baixa, o que significa que alta ventilação não pode ser alcançada. Outro é filtro de ar de nanofibras, cuja porosidade pode atingir 70% e pode alcançar alta ventilação. Alguns laboratórios prepararam variedade de telas de janela para proteger a qualidade do ar interno com nanofibras. Por exemplo, Chen et al. relataram filtro de ar preparado usando polímero TPU eletrofibrado; filtro de ar de nanofibras TPU é muito eficaz para remover PM2.5 (98,92%) com queda de pressão muito baixa (10 Pa). Khalid et al. relataram tela de janela de nanofibras feita por tecnologia de sopro direto, com boa transparência óptica (80%) e alta eficiência de filtração PM2.5 (99%). Liu et al. prepararam filtro de ar transparente por eletrofiação, que alcançou alta ventilação e alta eficiência de filtração PM2.5 (> 95,0%). No entanto, essa pesquisa foi desenvolvida em laboratórios e a pesquisa do processo industrial de filtro de nanofibras é pouca.

Nos últimos anos, a tecnologia de eletrofiação recebeu atenção extensiva devido ao seu baixo consumo de energia, operação simples e métodos ambientalmente amigáveis para preparação de nanofibras. Membranas de nanofibras preparadas por eletrofiação têm alta porosidade, interconexão de microcanais-nano e alta área superficial específica. Recentemente, nossa equipe desenvolveu um filtro de ar de nanofibras TPU que pode ser produzido em massa usando um fio de espinha giratório. Este filtro de ar tem altíssima estabilidade térmica, boa transparência óptica de 60%, alta eficiência de remoção de PM2.5 de 99,654%, longa vida útil, baixa resistência ao fluxo de ar (taxa de ventilação 3348 mm/s) e leve peso.

Experimental

Materiais e Instrumentos

Polímero TPU foi obtido da Bayer Co., Ltd., Alemanha, com resistência a rasgo, abrasão e proteção UV; a malha condutiva de substrato é fornecida pela Qingdao Junada Technology Co., Ltd., China. O dimetilformamida (N,N-DMF) e acetona foram fornecidos pela Tianjin Zhonghe Shengtai Chemical Co., Ltd. Microscopia eletrônica de varredura (SEM Feiner High Resolution Professional Edition Phenom Pro) é usada para estudar a morfologia das fibras TPU. Testador automático de desempenho de filtração FX3300 Lab Air-IV foi comprado da Shanghai Lippo Co., Ltd., China. AFC-131 é usado para testar taxa de ventilação comprado da Shanghai Huifen Electronic Technology Co., Ltd. Thermo Scientific Nicolet iS5 é usado para medir infravermelho e analisar grupos funcionais da membrana de fibras TPU. Medidor de ângulo de contato óptico Theta foi usado para analisar o ângulo de contato do filme de fibras TPU. A transmitância de luz foi avaliada usando espectrofotômetro ultravioleta UV1901PC comprado da Shanghai Aoxiang Scientific Instrument Co., Ltd., China.

Preparação de Membranas Nanofibrosas

Membrana de nanofibras TPU foi fabricada usando equipamento de eletrofiação NES-1 (Qingdao Junada Technology Co., Ltd.), mostrado na Fig. 1a. A estrutura principal tem 2350 mm de comprimento, 2200 mm de largura, 2700 mm de altura e pesa 1980 kg. A tela sensível ao toque é Siemens PLC, a potência é 30 kV, e a largura de fiação é 1,1 m. O diâmetro médio da fibra é cerca de 120 nm, e o peso da membrana de nanofibras é cerca de 0,5 g por metro quadrado. O substrato é adequado para celulose, fibra sintética, etc., e o material polimérico é adequado para TPU, PVP, PAN, etc. O princípio da eletrofiação é mostrado na Fig. 1b, e diagrama esquemático de uma membrana de nanofibras produzida por eletrofiação é mostrado na Fig. 1c. A solução usada na eletrofiação foi dissolver diferentes massas de TPU em solvente misto na proporção de volume de DMF para acetona de 1:1; a tensão de fiação foi pressão positiva 30 kV e pressão negativa alta −30 kV, resultando em jato estável; velocidade de movimento do substrato foi 10 m/min; e a distância de fiação foi controlada em 200 mm. A temperatura e umidade relativa durante este processo foram controladas a 25 °C e 50% UR. Para obter diferentes diâmetros médios de nanofibras, a concentração de TPU na solução foi ajustada de 6 a 16% em peso. A solução de TPU foi eletrofibrada sobre malha condutiva nas mesmas condições. As diferentes membranas de fibras TPU foram nomeadas TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU-12, TPU-14 e TPU-16, respectivamente.

Resultados e Discussão

Caracterização de Morfologia e Estruturas

Uma das tendências importantes na caracterização de membranas de nanofibras é a morfologia da superfície da membrana. A morfologia da membrana de nanofibras TPU foi observada por SEM, e a tensão usada foi 10 kV, sistema de imagem por varredura. Como mostrado na Fig. 2a–f, as morfologias microscópicas da membrana de nanofibras obtida da eletrofiação da solução TPU são mostradas sob diferentes concentrações de TPU de 6%, 8%, 10%, 12%, 14% e 16% em peso, respectivamente. Quando as concentrações de TPU entre 6% e 12% (Fig. 2a–d), há muitas nanofibras do tipo conta de diferentes tamanhos. Isso pode ser atribuído à baixa viscosidade da cadeia molecular do polímero TPU com baixa concentração da solução TPU. Portanto, no processo de eletrofiação de solução TPU de baixa concentração, a ejeção era difícil de resistir ao estiramento da força do campo elétrico. Além disso, devido à viscoelasticidade da cadeia molecular TPU, a ejeção esticada pela força do campo elétrico agregará para formar nanofibras com contas. No entanto, à medida que a concentração de TPU aumenta, a viscosidade da solução aumenta, e o processo de eletrofiação formará nanofibras em vez de nanofibras com contas, então as nanofibras com contas tornam-se cada vez menos e eventualmente desaparecem completamente (Fig. 2e–f). Por outro lado, a viscosidade da solução é um parâmetro importante que afeta o diâmetro da nanofibra. Quando a concentração da solução TPU aumenta, a viscosidade da solução também aumenta, então o diâmetro da nanofibra aumenta, como mostrado na Fig. 2a–f. Quando a concentração de TPU é superior a 14%, o diâmetro das nanofibras aumenta rapidamente (Fig. 2e–f). O diâmetro médio da nanofibra é calculado pelo NanMeasurer. O diâmetro médio de nanofibra TPU é ~0,10 µm, ~0,12 µm, ~0,14 µm, ~0,17 µm, ~0,34 µm e ~1,97 µm, correspondentes a TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU-12, TPU-14 e TPU-16.

Análise de Espectro Infravermelho por Transformada de Fourier

Para identificar a composição da membrana de nanofibras TPU preparada, é necessário realizar análise de espectroscopia infravermelha por transformada de Fourier (FTIR) na amostra. Primeiro, pré-aquece o equipamento por uma hora e meia, a pressão é controlada a 15 MPa, a tensão de trabalho é 220 V, a temperatura ambiente é controlada a 20 °C, a umidade ambiente a 40%, a frequência a 50 Hz, e a corrente a 7,5 A. Os resultados do teste são mostrados na Fig. 3, que é obviamente o mesmo que o espectro infravermelho do poliuretano de substrato. O espectro é mostrado na Fig. 3. Picos de absorção fortes foram observados em números de onda 3330,18 cm^-1, 2960,51 cm^-1 e 1215,86 cm^-1, indicando a presença de grupos funcionais N–H e C–H. A superfície da nanofibra TPU tem grupos funcionais hidrofóbicos, e a superfície da membrana de fibras é lisa e densa. Portanto, o filtro de ar transparente preparado tem certa função hidrofóbica. Devido à natureza hidrofóbica da membrana de fibras TPU, o filtro de ar transparente TPU pode abrir a janela em dias de chuva.

Análise de Eficiência de Filtração

A eficiência de filtração é o parâmetro mais importante para avaliar filtros de ar transparentes. O teste de eficiência de filtração foi realizado em diferentes membranas de fibras TPU. Neste estudo, as condições de teste eram as mesmas: temperatura 20 °C, umidade relativa 40,6%, vazão 2,0 m³/h, e poluentes PM são partículas de aerossol. A distribuição de tamanho de PM e o efeito de filtração de cada amostra são mostrados na Fig. 4a. A eficiência de filtração é positivamente correlacionada com o tamanho da partícula PM. Para o mesmo tamanho de partículas PM, como PM2.5 (Fig. 4b), com o aumento da concentração de TPU de 6 a 12% em peso, a eficiência de remoção aumenta significativamente, o que pode ser atribuído ao fato de que a membrana ondulada por nanofibras com diâmetro maior resiste melhor às partículas PM. No entanto, com o aumento da concentração de TPU de 12 a 16% em peso, o aumento no espaçamento entre as fibras e o desaparecimento das fibras com contas resulta em diminuição significativa na eficiência de remoção da membrana de fibras TPU. O aumento na concentração da solução torna o alongamento do jato de eletrofiação mais difícil e lento, resultando em aumento do tamanho dos poros da membrana de fibras TPU. A Figura 4c–e mostra a passagem de matéria particulada através de membranas de fibras de diferentes diâmetros. O diâmetro maior da fibra efetivamente impede a passagem de PM pela membrana de fibras, e à medida que a concentração de TPU aumenta, o diâmetro da fibra aumenta, mas a distância entre as fibras também aumenta, resultando em diminuição da eficiência de filtração. A maior eficiência de remoção de PM2.5 é TPU-12. Quando o diâmetro da partícula é ≥ 0,525 µm, a eficiência de remoção é 100%, e a queda de pressão é apenas 10 Pa. Além disso, TPU-10 em eficiência de remoção de PM2.5 é 99,654%.

Análise de Taxa de Ventilação

Manter alta ventilação é propriedade importante para avaliar o desempenho do filtro de ar. Seis amostras foram testadas para taxa de ventilação sob as mesmas condições. A área de medição foi 20 cm² e a pressão de medição foi 200 Pa. A taxa de ventilação de diferentes concentrações de membranas de nanofibras TPU é mostrada na Fig. 5a, e a queda de pressão correspondente é 6 Pa, 15 Pa, 12 Pa, 10 Pa, 7 Pa e 9 Pa. A taxa de ventilação de diferentes membranas TPU começa caindo primeiro, depois mantém aumento e por fim cai ligeiramente, correspondendo ao aumento da concentração da solução de 6 a 8%, 8 a 14% e 14 a 16% em peso. Existem duas razões principais afetando a taxa de ventilação: densidade de empacotamento de nanofibras e diâmetro médio da fibra. A densidade de empacotamento de nanofibras é calculada da seguinte forma:

α = W / (ρ_f Z) (1)

Aqui, α é a densidade de empacotamento de nanofibras, W é o peso base da membrana de nanofibras, ρ_f é a densidade do nanomaterial, e Z é a espessura do filme de nanofibras. A taxa de ventilação começa a declinar principalmente devido ao aumento dos diâmetros médios das nanofibras TPU (Fig. 5b, c). À medida que a concentração de TPU aumenta de 8 a 14% em peso, a diminuição na densidade de empacotamento de nanofibras leva a aumento na distância entre as nanofibras, o que é benéfico para a taxa de ventilação, mesmo que o diâmetro das nanofibras aumente (Fig. 5d). Quando a membrana de nanofibras é feita de solução com concentração de TPU de 14 a 16% em peso, o diâmetro da nanofibra desempenha papel crucial na taxa de ventilação, e a taxa de ventilação associada cai ligeiramente (Fig. 5e). Quando a concentração de TPU aumenta para 10% em peso, a taxa de ventilação chega a 3480 mm/s, taxa tão alta equivalente a uma tela em branco sem membrana de nanofibras.

Análise de Ângulo de Contato

Hidrofobicidade é parâmetro importante para avaliar desempenho de filtros de ar, e a molhabilidade da membrana de fibras TPU obtida foi medida por DSA usando gota de 5 µL. Os resultados são mostrados na Fig. 6a–f, os ângulos de contato são 138,6°, 133,4°, 128,5°, 122,8°, 112,7° e 107,7°, correspondentes a TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU-12, TPU-14 e TPU-16. O ângulo de contato de todas as amostras foi maior que 90°, indicando que o filtro de ar transparente preparado com polímero TPU é altamente hidrofóbico devido aos grupos funcionais hidrofóbicos na superfície da membrana de nanofibras TPU, o pequeno diâmetro da fibra leva a superfície de membrana lisa e estrutura densa da membrana de fibras. No entanto, à medida que a concentração de TPU aumenta, o ângulo de contato diminui (Fig. 6g), porque a rugosidade da superfície da membrana de fibras aumenta. A relação entre ângulo de contato e rugosidade de superfície da membrana de nanofibras pode ser entendida pela equação de Wenzel, definida da seguinte forma:

cos θ' = r cos θ (2)

Aqui, r é o fator de rugosidade de superfície, que é a proporção da área real da superfície para a área geométrica projetada (r ≥ 1), θ' é o ângulo de contato da superfície rugosa. Como mostrado na Fig. 6h–i, com o aumento da concentração de TPU, o diâmetro da nanofibra TPU aumenta, e o aumento da rugosidade da superfície da membrana de nanofibras resulta em ângulo de contato cada vez menor.

Teste de Transparência e Reprodutibilidade

Outro parâmetro importante do filtro de ar transparente é a transmissão; a transmitância das seis amostras foi testada e os resultados são mostrados na Fig. 7a. Verificou-se que a transmitância primeiro diminuiu e depois aumentou, correspondendo ao aumento da concentração de TPU de 6 a 12% e 12 a 16% em peso. Quando a concentração de TPU é de 6 a 12%, a transmitância da membrana de fibras é gradualmente reduzida, principalmente porque a concentração da solução é muito baixa no início (como 6% e 8%), e o processo de eletrofiação não forma fibras facilmente. Quando a concentração da solução aumenta, a concentração fica mais adequada para eletrofiação, então mais e mais fibras são formadas. O diâmetro da nanofibra também aumenta, e a membrana de fibras fica mais espessa, de modo que menos luz passa pela membrana. Por outro lado, como a concentração da solução é muito baixa, a eletrofiação forma grande número de contas (Fig. 2a–d), o que é adverso para a luz passar pela membrana. Quando a concentração da solução é de 12 a 16%, a transmitância da membrana aumenta gradualmente, principalmente porque a viscosidade da solução aumenta, e o processo de eletrofiação torna-se gradualmente difícil, de modo que menos nanofibras são produzidas. Outra razão é que, à medida que a concentração da solução aumenta, as contas desaparecem, contribuindo para mais luz passar pela membrana. Transmitâncias de 80%, 75%, 60%, 30%, 45% e 70%, correspondentes a TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU-12, TPU-14 e TPU-16. TPU-10 não só tem eficiência de filtração de 99,654% como a taxa de transmissão é alta como 60%. A Figura 7b mostra a fotografia da membrana de nanofibras TPU-10 com 60% de transmitância. Para filtros de ar com transmissão superior a 50%, luz suficiente pode passar pelo ambiente para atender aos requisitos de iluminação interna.

Considerando que desempenho de filtração a longo prazo e alto fluxo de ar são fatores importantes em filtros de ar, reciclamos membranas de fibras TPU e continuamos a testar eficiência de filtração e taxa de ventilação, e os resultados são mostrados na Fig. 8. A Figura 8a mostra barras de erro para eficiência combinada de remoção de 10 ciclos de teste de filtração PM2.5 de membrana de nanofibras TPU. Após 10 passagens de filtração TPU-10, a eficiência de filtração foi reduzida apenas em 1,6% (de 99,4% para 97,8%). Além disso, barras de erro para as taxas de aeração dos 10 ciclos de teste para diferentes membranas de fibras de concentração TPU são mostradas na Fig. 8b. A taxa de ventilação mudou lentamente e não diminuiu significativamente. Após dez testes de respiração, a taxa de ventilação foi reduzida apenas em cerca de 10 mm/s, indicando que o efeito de ventilação é muito estável.

Conclusão

Em resumo, usamos um fio de espinha rotativo para eletrofiação para criar um filtro de ar transparente que pode ser produzido em larga escala. Ao alterar a concentração de polímero TPU na solução, não só eficiência significativa de remoção de PM2.5 (99,654%) é alcançada, mas também boa transparência óptica (60%) e taxa de ventilação (3480 mm/s). Além disso, ao realizar 10 ciclos de testes de filtração e ventilação no filtro de ar transparente TPU, os resultados mostraram que a eficiência de filtração foi reduzida apenas em 1,6%, e a taxa de ventilação mudou muito lentamente e permaneceu substancialmente inalterada. Esses resultados indicam que membranas de nanofibras TPU preparadas por eletrofiação têm muitas vantagens como boa repelência à água, boa transparência óptica, alta taxa de ventilação e alto desempenho de filtração, que podem ser usadas como materiais de filtro em muitos campos.