Transparant polyurethaan nanovezel luchtfilter voor zeer efficiënte PM2.5-opvang

Resultaten en discussie

Karakterisatie van morfologie en structuren

Een van de belangrijke trends in de membraankarakterisering van nanovezels is de morfologie van het membraanoppervlak. De morfologie van het TPU-nanovezelmembraan werd waargenomen door SEM en de gebruikte spanning was een 10 kV, scanning-beeldvormingssysteem. Zoals getoond in Fig. 2a-f, worden de microscopische morfologieën van het nanovezelmembraan verkregen uit de elektrospinning TPU-oplossing getoond onder verschillende TPU-concentraties van 6 wt%, 8 wt%, 10 wt%, 12 wt%, 14 wt% en respectievelijk 16 wt%. Wanneer de TPU-concentraties tussen 6 wt% en 12 wt% (Fig. 2a-d) zijn, zijn er veel kraalachtige nanovezels van verschillende groottes. Dit kan worden toegeschreven aan de lage viscositeit van de polymeer TPU-moleculaire keten met de lage concentratie van de TPU-oplossing. Daarom was de ejectie tijdens het elektrospinnen van een TPU-oplossing met een lage concentratie moeilijk om weerstand te bieden aan het uitrekken van de elektrische veldkracht [32]. Bovendien, vanwege de visco-elasticiteit van de TPU-moleculaire keten, zal de ejectie uitgerekt door de elektrische veldkracht aggregeren om nanovezels met kralen te vormen [33]. Naarmate de concentratie van TPU toeneemt, neemt de viscositeit van de oplossing echter toe en zal het elektrospinproces nanovezels vormen in plaats van gerolde nanovezels, zodat de gerolde nanovezels steeds minder worden en uiteindelijk volledig verdwijnen (Fig. 2e-f). Anderzijds is de viscositeit van de oplossing een belangrijke parameter die de diameter van de nanovezel beïnvloedt [34]. Wanneer de concentratie van de TPU-oplossing toeneemt, neemt ook de viscositeit van de oplossing toe, dus de diameter van de nanovezel neemt toe, zoals weergegeven in Fig. 2a-f. Wanneer de concentratie van TPU hoger is dan 14 wt%, neemt de diameter van nanovezels snel toe (Fig. 2e-f). De gemiddelde diameter van de nanovezel wordt berekend door NanMeasurer. De gemiddelde TPU-nanovezeldiameter is ~ 0,10 m, ~ 0,12 m, ~ 0,14 m, ~ 0,17 m, ~ 0,34 m en ~ 1,97 m, wat overeenkomt met TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU-12, TPU -14 en TPU-16.

SEM-afbeeldingen van electrospun TPU. a–f SEM-afbeeldingen en diameterverdelingen met TPU-concentraties van respectievelijk 6 wt%, 8 wt%, 10 wt%, 12 wt%, 14 wt% en 16 wt%

Fourier-transformatie infraroodspectrumanalyse

Om de samenstelling van het geprepareerde TPU-nanovezelmembraan te identificeren, is het noodzakelijk om Fourier-transformatie-infraroodspectroscopie (FTIR) -analyse op het monster uit te voeren. Verwarm eerst de apparatuur anderhalf uur voor, de druk wordt geregeld op 15 Mpa, de werkspanning is 220 V, de omgevingstemperatuur wordt geregeld op 20 °C, de luchtvochtigheid wordt geregeld op 40%, de frequentie is 50 Hz, en de stroom is 7,5 A. De testresultaten zijn zoals getoond in Fig. 3, wat duidelijk hetzelfde is als het infraroodspectrum van het substraat polyurethaan. Het spectrum wordt getoond in Fig. 3. Er werden sterke absorptiepieken waargenomen bij golfnummers 3330,18 cm ^-1 , 2960,51 cm ^-1 , en 1215,86 cm ^-1 , wat wijst op de aanwezigheid van N-H- en C-H-functionele groepen. Het oppervlak van de TPU-nanovezel heeft hydrofobe functionele groepen en het oppervlak van het vezelmembraan is glad en dicht. Het voorbereide transparante luchtfilter heeft dus een bepaalde hydrofobe functie. Vanwege het hydrofobe karakter van het TPU-vezelmembraan kan het transparante TPU-luchtfilter het raam op regenachtige dagen openen.

Samenstelling van TPU-nanovezelmembraan. FTIR-demonstratie van TPU die de aanwezigheid van verschillende functionele groepen aangeeft

Filtratie-efficiëntieanalyse

Filtratie-efficiëntie is de belangrijkste parameter voor het evalueren van transparante luchtfilters. De filtratie-efficiëntietest werd uitgevoerd op verschillende TPU-vezelmembranen. In deze studie waren de testomstandigheden hetzelfde, de temperatuur was 20 °C, de relatieve vochtigheid was 40,6%, het debiet is 2,0 m ³ /h, en PM-verontreinigende stoffen zijn aerosoldeeltjes. De grootteverdeling van PM en het filtratie-effect van elk monster worden getoond in Fig. 4a. De filtratie-efficiëntie is positief gecorreleerd met de PM-deeltjesgrootte. Voor dezelfde grootte van PM-deeltjes, zoals PM2.5 (Fig. 4b), waarbij de TPU-concentratie toeneemt van 6  tot 12 wt%, wordt de verwijderingsefficiëntie aanzienlijk verhoogd, wat kan worden toegeschreven aan het feit dat het membraan door zwaaide nanovezels met een grotere diameter zijn beter bestand tegen PM-deeltjes. Wanneer de TPU-concentratie echter toeneemt van 12 tot 16 wt%, resulteert de toename in de afstand tussen de vezels en het verdwijnen van de kralenstrengvezels in een significante afname van de verwijderingsefficiëntie van het TPU-vezelmembraan [18]. De toename van de concentratie van de oplossing maakt de verlenging van de elektrospinningstraal moeilijker en langzamer, wat resulteert in een toename van de poriegrootte van het TPU-vezelmembraan. Figuur 4c-e toont de passage van fijnstof door vezelmembranen met verschillende diameters. De grotere vezeldiameter voorkomt effectief dat de PM door het vezelmembraan gaat, en naarmate de TPU-concentratie groter wordt, wordt de vezeldiameter groter, maar de afstand tussen de fasevezels wordt ook groter, wat resulteert in een afname van de filtratie-efficiëntie. De hoogste verwijderingsefficiëntie van PM2.5 is de TPU-12. Als de deeltjesdiameter ≥ . is 0,525  μm, de verwijderingsefficiëntie is 100% en de drukval is slechts 10  Pa. Bovendien is de verwijderingsefficiëntie van de TPU-10 op PM2.5 99,654%.

Evaluatie van de filtratie-efficiëntie van TPU-vezelmembraan. een Verwijder de efficiëntie van PM van verschillende groottes met TPU-concentraties van respectievelijk 6 wt%, 8wt%, 10 wt%, 12 wt%, 14wt% en 16 wt%. b PM2.5 verwijderingsefficiëntie van verschillende concentraties TPU-vezelmembranen. c –e PM door vezelmembranen met verschillende diameters

Analyse ventilatiesnelheid

Het handhaven van een hoge ventilatie is een belangrijke eigenschap om de prestaties van het luchtfilter te evalueren. Zes monsters werden getest op ventilatiesnelheid onder dezelfde omstandigheden. Het meetgebied was 20 cm ² en de meetdruk was 200 Pa. De ventilatiesnelheid van verschillende concentraties TPU-nanovezelmembranen wordt getoond in figuur 5a, en de overeenkomstige drukval is 6 Pa, 15 Pa, 12 Pa, 10 Pa, 7 Pa en 9 Pa. De ventilatiesnelheid van verschillende TPU-membranen begint eerst te dalen, blijft dan stijgen en daalt ten slotte licht, wat overeenkomt met de oplossingsconcentratie die toeneemt van 6 tot 8 wt%, 8 tot 14 wt% en 14 tot 16 wt%. Er zijn twee belangrijke redenen voor het beïnvloeden van de ventilatiesnelheid:de pakkingsdichtheid van nanovezels en de gemiddelde vezeldiameter [34]. De pakkingsdichtheid van nanovezels wordt als volgt berekend:

Evaluatie van de ventilatiesnelheid van TPU-vezelmembraan. een Ventilatiesnelheid van verschillende concentraties TPU-vezelmembranen. b –e Lucht gaat door vezels van verschillende diameters

Hier, α is de pakkingsdichtheid van nanovezels, W is het basisgewicht van het nanovezelmembraan, ρ _f is de dichtheid van nanomateriaal, en Z is de dikte van de nanovezelfilm. De ventilatiesnelheid begint af te nemen, voornamelijk als gevolg van de toevoeging van gemiddelde TPU-nanovezeldiameters (figuur 5b, c). Naarmate de concentratie van TPU toeneemt van 8 tot 14 wt%, leidt een afname van de pakkingsdichtheid van nanovezels tot een toename van de afstand tussen de nanovezels, wat gunstig is voor de ventilatiesnelheid, hoewel de diameter van de nanovezels wordt vergroot (Fig. 5d). Wanneer het nanovezelmembraan is gemaakt van een oplossing met een TPU-concentratie van 14 tot 16 wt%, speelt de nanovezeldiameter een cruciale rol in de ventilatiesnelheid en daalt de bijbehorende ventilatiesnelheid iets (figuur 5e). Wanneer de TPU-concentratie stijgt tot 10 wt%, is de ventilatiesnelheid tot 3480 mm/s, zo'n hoge ventilatiesnelheid staat gelijk aan een leeg scherm zonder nanovezelmembraan.

Contacthoekanalyse

Hydrofobiciteit is een belangrijke parameter voor het evalueren van de prestaties van luchtfilters, en de bevochtigbaarheid van het verkregen TPU-vezelmembraan werd gemeten met DSA met behulp van een druppel van 5 L. De resultaten worden getoond in Fig. 6a-f, de contacthoeken zijn 138,6°, 133,4°, 128,5°, 122,8°, 112,7° en 107,7°, overeenkomend met TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU- 12, TPU-14 en TPU-16. De contacthoek van alle monsters was groter dan 90 °, wat aangeeft dat het transparante luchtfilter bereid met polymeer TPU zeer hydrofoob is vanwege de hydrofobe functionele groepen op het oppervlak van het TPU-nanovezelmembraan, de kleine vezeldiameter leidt tot een glad membraanoppervlak en vezelmembraan dichte structuur. Naarmate de concentratie TPU echter groter wordt, wordt de contacthoek steeds kleiner (Fig. 6g), omdat de ruwheid van het oppervlak van het vezelmembraan groter wordt. De relatie tussen contacthoek en oppervlakteruwheid van nanovezelmembraan kan worden begrepen door de Wenzel-vergelijking, die als volgt wordt gedefinieerd:

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

Karakterisering van de contacthoek van TPU-vezelmembraan. a–f Testen van de contacthoek van verschillende concentraties TPU-vezelmembranen met druppeltjes van 5 L. g Contacthoek van verschillende concentraties TPU-vezelmembraan. u –ik Druppels op het oppervlak van vezels van verschillende diameters.

Hier, r is de oppervlakteruwheidsfactor, die de verhouding is van het werkelijke oppervlak van het oppervlak tot het geometrisch geprojecteerde gebied ( r ≥ 1), θ ^′ is de contacthoek van het ruwe oppervlak. Zoals getoond in Fig. 6h-i, neemt de diameter van de TPU-nanovezel toe naarmate de TPU-concentratie toeneemt en neemt de ruwheid van het oppervlak van het nanovezelmembraan toe, wat resulteert in een steeds kleinere contacthoek.

Transparantie- en reproduceerbaarheidstesten

Een andere belangrijke parameter van het transparante luchtfilter is transmissie; de transmissie van de zes monsters werd getest en de resultaten worden getoond in Fig. 7a. Het bleek dat de transmissie eerst bleef afnemen en vervolgens toenam, wat overeenkomt met de toename van de TPU-concentratie van 6 naar 12 wt% en 12 naar 16 wt%. Wanneer de TPU-concentratie van 6 tot 12 wt% is, wordt de transmissie van het vezelmembraan geleidelijk verminderd, voornamelijk omdat de oplossingsconcentratie in het begin te laag is (zoals 6 wt% en 8 wt%), en het elektrospinproces doet vormen niet gemakkelijk vezels. Wanneer de concentratie van de oplossing toeneemt, is de oplossingsconcentratie meer geschikt voor elektrospinnen, zodat er steeds meer vezels worden gevormd door elektrospinnen. Ook wordt de diameter van de nanovezel groter en wordt het vezelmembraan dikker en dikker, zodat er minder licht door het vezelmembraan kan. Aan de andere kant, aangezien de concentratie van de oplossing te laag is, vormt elektrospinnen een groot aantal kralen (Fig. 2a-d), wat nadelig is voor licht om door het vezelmembraan te gaan. Wanneer de oplossingsconcentratie 12 tot 16 gew.% is, neemt de transmissie van het vezelmembraan geleidelijk toe, voornamelijk omdat de viscositeit van de oplossing toeneemt, en het elektrospinproces geleidelijk moeilijk wordt, zodat er minder nanovezel wordt geproduceerd. Een andere reden is dat naarmate de concentratie van de oplossing toeneemt, de kralenstreng verdwijnt, waardoor er meer licht door het vezelmembraan gaat. Doorlaatbaarheid van 80%, 75%, 60%, 30%, 45% en 70%, overeenkomend met TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU-12, TPU-14 en TPU-16. De TPU-10 heeft niet alleen een filtratie-efficiëntie van 99,654% en de transmissiesnelheid is zelfs 60%. Figuur 7b toont de foto van het TPU-10 nanovezelmembraan met 60% transmissie. Voor luchtfilters met een transmissie van meer dan 50% kan er voldoende licht door de ruimte worden doorgelaten om aan de vereisten voor binnenverlichting te voldoen.

Transmissie-eigenschappen van TPU-vezelmembraan. een Doorlaatbaarheid van verschillende concentraties TPU-vezelmembraan. b Foto's van TPU-concentratie van 10 wt% transparante luchtfilters bij 60% transparantie

Aangezien langdurige filtratieprestaties en een hoge luchtstroom belangrijke factoren zijn in luchtfilters, hebben we TPU-vezelmembranen gerecycled en zijn we doorgegaan met het testen van de filtratie-efficiëntie en ventilatiesnelheid, en de resultaten worden getoond in Fig. 8. Afbeelding 8a toont foutbalken voor gecombineerde verwijderingsefficiëntie van 10 testcycli van PM2.5-filtratie van TPU-nanovezelmembraan. Na 10 passages TPU-10-filtratie was de filtratie-efficiëntie slechts met 1,6% verminderd (van 99,4 naar 97,8%). Bovendien worden foutbalken voor de beluchtingssnelheden van de 10 testcycli voor verschillende TPU-concentratievezelmembranen getoond in Fig. 8b. De ventilatiesnelheid veranderde langzaam en nam niet significant af. Na tien ademtesten was de ventilatiesnelheid slechts met ongeveer 10  mm/s verlaagd, wat aangeeft dat het ventilatie-effect zeer stabiel is.

Reproduceerbaarheid van de ventilatiesnelheid en verwijderingsefficiëntie van het composietvezelmembraan. een Reproduceerbaarheid van de verwijderingsefficiëntie. b Reproduceerbaarheid van de ventilatiesnelheid

Conclusie

Samenvattend gebruiken we een roterende kraal-spindop voor electrospinning om een ​​transparant luchtfilter te creëren dat op grote schaal kan worden geproduceerd. Door de concentratie van TPU-polymeer in oplossing te veranderen, wordt niet alleen een significante verwijderingsefficiëntie van PM2.5 (99,654%) bereikt, maar wordt ook een goede optische transparantie (60%) en ventilatiesnelheid (3480 mm/s) bereikt. Bovendien, door 10 cycli van filtratie- en gasontluchtingstests uit te voeren op het transparante TPU-luchtfilter, toonden de resultaten aan dat de filtratie-efficiëntie slechts met 1,6% was verminderd en dat de ventilatiesnelheid zeer langzaam werd gewijzigd en nagenoeg onveranderd bleef. Deze resultaten geven aan dat TPU-nanovezelmembranen die zijn vervaardigd door elektrospinning veel voordelen hebben, zoals een goede waterafstotendheid, goede optische transparantie, hoge ventilatiesnelheid en hoge filtratieprestaties, die op veel gebieden als filtermateriaal kunnen worden gebruikt.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

Alle gegevens die tijdens dit onderzoek zijn gegenereerd of geanalyseerd, zijn opgenomen in dit gepubliceerde artikel.