Βακτήρια, ιοί ή τοξικές ουσίες διαδίδονται ευρέως σε περιβάλλοντα με θερμοκρασία περιβάλλοντος, μεταφερόμενα από εξαιρετικά λεπτά σωματίδια όπως τα PM0.3, τα οποία αποτελούν απειλή για τη δημόσια υγεία. Επιπλέον, τα βιομηχανικά απόβλητα υψηλής θερμοκρασίας ρυπαίνουν σοβαρά το περιβάλλον. Υπάρχει επείγουσα ανάγκη να αναπτυχθούν μεμβράνες φιλτραρίσματος που να εφαρμόζονται τόσο σε πηγές περιβάλλοντος που περιέχουν βακτήρια όσο και σε πηγές υψηλής θερμοκρασίας για την υγεία των ανθρώπων και τη βελτιστοποίηση του περιβάλλοντος. Επί του παρόντος, οι περισσότερες μεμβράνες διήθησης αντιμετωπίζουν τεχνικά σημεία συμφόρησης, όπως η κακή αντοχή του φιλτραρίσματος και η αργή πρόοδος της εκβιομηχάνισης. Για να αντιμετωπίσει αυτά τα ζητήματα, η ομάδα με επικεφαλής τον ακαδημαϊκό Xu Weilin στο Γουχάν Υφασμα Πανεπιστήμιο έχει χρησιμοποιήσει τεχνολογία φυγοκεντρικής κλώσης. Χωρίς την ανάγκη για εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, το πολυϊμίδιο αποκτά αυθόρμητα μια πολωμένη μοριακή δομή κατά τη διάρκεια της διαδικασίας περιδίνησης, δημιουργώντας ισχυρές αυτοσυντηρούμενες ηλεκτροστατικές δυνάμεις στην επιφάνεια των διαμορφωμένων ινών. Με την επιτόπια ανάπτυξη νανοσωματιδίων αργύρου, προσδίδονται αντιβακτηριακές ιδιότητες, επιτυγχάνοντας αντιβακτηριακή και μακροχρόνια διήθηση. Αυτή η τεχνική πραγματοποιεί επίσης τη μαζική προετοιμασία μεμβρανών διήθησης. Η δουλειά τους,"Ανθεκτικά στη θερμότητα φίλτρα αέρα που βασίζονται σε αυτοσυντηρούμενα ηλεκτροστατικά και αντιβακτηριακά χαλάκια πολυιμιδίου/ασημί ινών,"δημοσιεύτηκε στο Προχωρημένος Λειτουργικός Υλικά. Οι πρώτοι συγγραφείς της εργασίας είναι ο Δρ. Lv Pei από το Γουχάν Υφασμα Πανεπιστήμιο και ο Ju Ζενγκ, φοιτητής μεταπτυχιακού από την τάξη του 2023, με τον ακαδημαϊκό Xu Weilin και τον καθηγητή Liu Xin ως αντίστοιχους συγγραφείς.

Η δημιουργία ισχυρών αυτοσυντηρούμενων ηλεκτροστατικών δυνάμεων στην επιφάνεια των χαλιών από πολυϊμιδικές ίνες αποδίδεται κυρίως στη μακροσκοπική τριβή και τη μικροσκοπική διπολική πόλωση κατά τη διάρκεια της διαδικασίας φυγοκεντρικής περιστροφής. Η τριβή μεταξύ ινών και αέρα, καθώς και μεταξύ των ινών, δημιουργεί ένα ισχυρό ηλεκτροστατικό πεδίο, το οποίο πυροδοτεί την πόλωση των μορίων πολυιμιδίου, ενισχύοντας έτσι περαιτέρω το ηλεκτροστατικό πεδίο. Λόγω της υψηλής μόνωσης και των εξαιρετικών διηλεκτρικών ιδιοτήτων του πολυιμιδίου, η ηλεκτροστατική απώλειά του είναι ελάχιστη, επιβραδύνοντας τη διάχυση των επιφανειακών ηλεκτροστατικών δυνάμεων. Σε σύγκριση με τα φιλμ πολυιμιδίου που λαμβάνονται με χύτευση, οι ισχυρές ηλεκτροστατικές δυνάμεις είναι παρούσες μόνο στην επιφάνεια των στρωμνών φυγοκεντρικών ινών. Περαιτέρω μοριακές προσομοιώσεις επιβεβαίωσαν τους διαφορετικούς βαθμούς πόλωσης των μορίων πολυιμιδίου που λαμβάνονται με μεθόδους φυγοκεντρικής περιδίνησης και χύτευσης. Η ενέργεια του δεσμού υδρογόνου των φυγοκεντρικών περιστρεφόμενων ινών και των χυτών μεμβρανών ήταν 28,54 kJ/mol και 19,50 kJ/mol, αντίστοιχα, σύμφωνα με τη θερμική τους σταθερότητα. Επιπλέον, η παράμετρος απόλυτης πολικότητας των ψάθας φυγοκεντρικών περιστρεφόμενων ινών ήταν υψηλότερη από αυτή των χυτών μεμβρανών, επιβεβαιώνοντας περαιτέρω ότι η διαδικασία φυγοκεντρικής περιδίνησης προκαλεί πόλωση των μορίων πολυιμιδίου, ενισχύοντας τη μοριακή πολικότητα.

Η ανάλυση της μορφολογίας και των φυσικοχημικών ιδιοτήτων του πολυϊμιδίου και των σύνθετων ινών του με νανοσωματίδια αργύρου δείχνει ότι η μέθοδος επιτόπιας ανάπτυξης συνδέει με επιτυχία νανοσωματίδια αργύρου στα στρώματα ινών πολυιμιδίου. Εντός του εύρους θερμοκρασίας θερμικής αποσύνθεσης 30-350 °C, η απώλεια βάρους των χαλιών από ίνες πολυιμιδίου/νανοσωματιδίων αργύρου (πι/Αγ) δεν υπερβαίνει το 5%. Οι δοκιμές αντοχής στη θερμότητα δείχνουν ότι οι ίνες πι/Αγ διατηρούν τη συνεχή τους μορφή ακόμη και μετά από μακροχρόνια θερμική επεξεργασία στους 280 °C, χωρίς σημαντική αλλαγή στη διάμετρο της ίνας. Η εξαιρετική θερμική σταθερότητα του πι/Αγ επιτρέπει στα φίλτρα αέρα που βασίζονται σε αυτό το υλικό να χρησιμοποιούνται για μεγάλες περιόδους σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος 200-300 °C.

Η δοκιμή απόδοσης διήθησης του πι/Αγ δείχνει ότι η απόδοση διήθησης για PM0,3 ενός στρώματος ινών πάχους 260 μm είναι 99,1%, και για ένα στρώμα ινών πάχους 180 μm, είναι 98,1%, με πτώση πίεσης μειωμένη στα 73,67 Pa , και μια μέση επιφανειακή ηλεκτροστατική τάση -713 V. Αντίθετα, τα εμπορικά χαλάκια ινών πολυιμιδίου έχουν μόνο επιφανειακή ηλεκτροστατική τάση -10 V, με απόδοση φιλτραρίσματος PM0,3 58,5%. Η εξαιρετικά υψηλή επιφανειακή ηλεκτροστατική τάση και η τρισδιάστατη δομή δικτύου που κατασκευάζεται με φυγόκεντρη περιστροφή ενισχύουν συνεργικά την απόδοση φιλτραρίσματος αέρα του πι/Αγ. Μετά από 330 ημέρες, η επιφανειακή ηλεκτροστατική τάση του πι/Αγ παραμένει πάνω από -700 V και μετά από 1 ώρα επεξεργασίας σε υψηλή θερμοκρασία στους 280 °C, η απόδοση φιλτραρίσματος για PM0,3 παραμένει πάνω από 91,3%. Επομένως, το πι/Αγ μπορεί να εξασφαλίσει χαμηλή πτώση πίεσης επιτυγχάνοντας μακροπρόθεσμο φιλτράρισμα σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας. Οι αντιβακτηριδιακές δοκιμές δείχνουν ότι το πι/Αγ παρουσιάζει σημαντική αντιβακτηριακή δράση κατά του Escherichia coli και του Σταφυλόκοκκος aureus. Ως εκ τούτου, το πι/Αγ που παρασκευάστηκε σε αυτή τη μελέτη μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διήθηση αέρα βακτηριακών πηγών θερμοκρασίας δωματίου καθώς και βιομηχανική διήθηση καυσαερίων με πηγή υψηλής θερμοκρασίας.

Περίληψη: Οι συγγραφείς έχουν παρασκευάσει αντιβακτηριακά, ανθεκτικά σε υψηλές θερμοκρασίες χαλάκια ινών πολυιμιδίου με ισχυρές αυτοσυντηρούμενες ηλεκτροστατικές δυνάμεις χρησιμοποιώντας τεχνολογία φυγόκεντρης περιστροφής, τα οποία, λόγω της επίδρασης των αυτοσυντηρούμενων ηλεκτροστατικών δυνάμεων, έχουν υψηλή απόδοση φιλτραρίσματος PM0,3 ενώ εξασφαλίζουν χαμηλή πτώση πίεσης. Αυτή η εργασία παρέχει μια νέα προσέγγιση για τη μεγάλης κλίμακας, συνεχή προετοιμασία πολυλειτουργικών, αποτελεσματικών ινών φιλτραρίσματος αέρα υλικών.