Bacteriën, virussen of giftige stoffen die zich wijd verspreiden in omgevingen met omgevingstemperatuur, gedragen door ultrafijne deeltjes zoals PM0,3, vormen een bedreiging voor de volksgezondheid. Bovendien vervuilen industriële afvalgassen met een hoge temperatuur het milieu ernstig. Er is een dringende behoefte om filtratiemembranen te ontwikkelen die toepasbaar zijn op zowel omgevingsbronnen die bacteriën bevatten als bronnen op hoge temperatuur voor de optimalisatie van de gezondheid van mensen en het milieu. Momenteel worden de meeste filtratiemembranen geconfronteerd met technische knelpunten, zoals een slechte filtratieduurzaamheid en een trage vooruitgang van de industrialisatie. Om deze problemen aan te pakken, heeft het team onder leiding van academicus Xu Weilin van de Wuhan Textile University gebruik gemaakt van centrifugale spintechnologie. Zonder de noodzaak van een extern elektrisch veld verkrijgt polyimide tijdens het spinproces spontaan een gepolariseerde moleculaire structuur, waardoor sterke, zichzelf onderhoudende elektrostatische krachten op het oppervlak van de gevormde vezelmatten worden gegenereerd. Door in-situ groei van zilveren nanodeeltjes worden antibacteriële eigenschappen verkregen, waardoor antibacteriële en langdurige filtratie wordt bereikt. Deze techniek maakt ook de bulkvoorbereiding van filtratiemembranen mogelijk. Hun werk,"Hittebestendige luchtfilters op basis van zelfvoorzienende elektrostatische en antibacteriële polyimide/zilvervezelmatten,"werd gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen. De co-eerste auteurs van het artikel zijn Dr. Lv Pei van de Wuhan Textile University en Ju Zheng, een masterstudent uit de klas van 2023, met academicus Xu Weilin en professor Liu Xin als de corresponderende auteurs.

Het genereren van sterke, zichzelf onderhoudende elektrostatische krachten op het oppervlak van polyimidevezelmatten wordt voornamelijk toegeschreven aan macroscopische wrijving en microscopische dipoolpolarisatie tijdens het centrifugale spinproces. De wrijving tussen vezels en lucht, maar ook tussen vezels, creëert een sterk elektrostatisch veld, dat de polarisatie van polyimidemoleculen op gang brengt, waardoor het elektrostatische veld verder wordt versterkt. Vanwege de hoge isolatie en uitstekende diëlektrische eigenschappen van polyimide is het elektrostatische verlies minimaal, waardoor de dissipatie van elektrostatische krachten op het oppervlak wordt vertraagd. Vergeleken met door gieten verkregen polyimidefilms zijn de sterke elektrostatische krachten alleen aanwezig op het oppervlak van de centrifugaal gesponnen vezelmatten. Verdere moleculaire simulaties bevestigden de verschillende graden van polarisatie van polyimidemoleculen verkregen door centrifugale spin- en gietmethoden. De waterstofbindingsenergie van de centrifugaal gesponnen vezelmatten en gegoten films was respectievelijk 28,54 kJ/mol en 19,50 kJ/mol, consistent met hun thermische stabiliteit. Bovendien was de absolute polariteitsparameter van de centrifugaal gesponnen vezelmatten hoger dan die van de gegoten films, wat verder bevestigt dat het centrifugale spinproces polarisatie van polyimidemoleculen induceert, waardoor de moleculaire polariteit wordt versterkt.

Analyse van de morfologie en fysisch-chemische eigenschappen van polyimide en zijn zilveren nanodeeltjescomposietvezelmatten toont aan dat de in-situ groeimethode met succes zilveren nanodeeltjes aan de polyimidevezelmatten hecht. Binnen het thermische ontledingstemperatuurbereik van 30-350 °C bedraagt ​​het gewichtsverlies van polyimide/zilveren nanodeeltjesvezelmatten (PI/Ag) niet meer dan 5%; Uit hittebestendigheidstests blijkt dat PI/Ag-vezels hun continue vorm behouden, zelfs na langdurige hittebehandeling bij 280 °C, zonder significante verandering in de vezeldiameter. Dankzij de uitstekende thermische stabiliteit van PI/Ag kunnen luchtfilters op basis van dit materiaal langdurig worden gebruikt bij omgevingstemperaturen van 200-300 °C.

Uit de filtratieprestatietest van PI/Ag blijkt dat de filtratie-efficiëntie voor PM0,3 van een 260 µm dikke vezelmat 99,1% bedraagt, en voor een 180 µm dikke vezelmat 98,1%, met een drukval gereduceerd tot 73,67 Pa en een gemiddelde elektrostatische oppervlaktespanning van -713 V. Commerciële polyimidevezelmatten hebben daarentegen slechts een elektrostatische oppervlaktespanning van -10 V, met een PM0,3-filtratie-efficiëntie van 58,5%. De ultrahoge elektrostatische oppervlaktespanning en de 3D-netwerkstructuur, opgebouwd door centrifugaal spinnen, verbeteren synergetisch de luchtfiltratie-efficiëntie van PI/Ag. Na 330 dagen blijft de elektrostatische oppervlaktespanning van PI/Ag nog steeds boven -700 V, en na 1 uur behandeling bij hoge temperatuur bij 280 °C blijft de filtratie-efficiëntie voor PM0,3 boven 91,3%. Daarom kan PI/Ag een lage drukval garanderen en tegelijkertijd langdurige filtratie bereiken in omgevingen met hoge temperaturen. Antibacteriële tests tonen aan dat PI/Ag significante antibacteriële activiteit vertoont tegen Escherichia coli en Staphylococcus aureus. Daarom kan de in dit onderzoek vervaardigde PI/Ag worden gebruikt voor luchtfiltratie van bacteriële bronnen op kamertemperatuur, maar ook voor industriële rookgasfiltratie bij hoge temperaturen.

Samenvatting: De auteurs hebben antibacteriële, tegen hoge temperaturen bestendige polyimidevezelmatten met sterke, zelfonderhoudende elektrostatische krachten vervaardigd met behulp van centrifugale spintechnologie, die, als gevolg van het effect van zichzelf onderhoudende elektrostatische krachten, een hoge PM0,3-filtratie-efficiëntie hebben en tegelijkertijd zorgen voor een lage drukval. Dit werk biedt een nieuwe benadering voor de grootschalige, continue bereiding van multifunctionele, efficiënte luchtfiltratievezelmaterialen.