Transparant Polyurethaan Nanovezel Filter: Ultra-efficiënte PM2.5 Afscheiding voor Schonere Lucht

Samenvatting

Fijn stof (PM) heeft het menselijk leven ernstig beïnvloed, zoals de gezondheid, het klimaat, en de ecologische omgeving. Recentelijk gebruiken veel onderzoekers elektrospinnen om nanovezel luchtfilters te bereiden voor effectieve verwijdering van fijn stof. Het elektrospinnen van polymere vezels op het venstergauw uniform is echter alleen in het laboratorium bereikt, en de realisatie van industrialisatie is nog steeds zeer uitdagend. Hier rapporteren we een elektrospinfmethode met een roterende kralenspinneret voor grootschalige elektrospinning van thermoplastisch polyurethaan (TPU) op conductief gaas met een hoge productiviteit van 1000 m²/dag. Door de concentratie van TPU in de polymere oplossing te veranderen, kan de PM2.5 verwijderingsefficiëntie van het nanovezel-gebaseerde luchtfilter tot 99,654% stijgen met een goede optische doorlatendheid van 60%, en de contacthoek en de ventilatiesnelheid van het nanovezel-gebaseerde luchtfilter zijn respectievelijk 128,5° en 3480 mm/s. Na 10 keer filteren is de verwijderingsefficiëntie slechts met 1,6% gedaald. Dit transparante luchtfilter gebaseerd op TPU nanovezels heeft een uitstekende filtratie-efficiëntie en ventilatiesnelheid, wat de binnenluchtkwaliteit van woongebouwen effectief kan waarborgen.

Inleiding

Fijn stof (PM) bestaat uit diverse vaste fijn deeltjes en druppels met tot honderden chemische componenten. PM bestaat hoofdzakelijk uit drie grote chemische stoffen, waaronder wateroplosbare ionen, koolstofbevattende verbindingen, en andere anorganische verbindingen. PM komt voornamelijk van de verbranding van fossiele brandstoffen en afval, en is rijk aan giftige stoffen en schadelijke deeltjes. Volgens de grootte van de deeltjesdiameter wordt PM hoofdzakelijk ingedeeld in PM2.5 en PM10, wat betekent dat de aerodynamische diameter van de deeltjes kleiner is dan 2,5 μm en 10 μm. PM10 blijft in de lucht van enkele minuten tot enkele uren met een beperkte afstand; echter, PM2.5 heeft een lange verblijftijd in de atmosfeer en kan duren van enkele dagen tot enkele weken. Zelfs als PM2.5 op de grond valt, is het gemakkelijk weer in de lucht geblazen door de wind. Door het ademhalingsproces kan PM2.5 het lichaam binnendringen en zich ophopen in de luchtpijp of de long, wat negatief de menselijke gezondheid beïnvloedt. PM2.5 heeft ook een grote impact op het klimaat en de ecologische omgeving, zoals het beïnvloeden van het regenproces. In de afgelopen 10 jaar wordt de PM2.5 luchtverontreiniging steeds ernstiger, met name in sommige ontwikkelingslanden zoals China en India. In het dagelijks leven komen mensen in die landen vaak zware smogweer voor. Het is daarom zeer noodzakelijk om bescherming te nemen tegen PM2.5.

Op dit moment zijn de beschermingsmaatregelen tegen ernstige smog voornamelijk gericht op buitenlandse persoonlijke bescherming, zoals het dragen van professionele stofmaskers, die de deeltjesmaterie effectief kunnen filteren. De binnenlandse persoonlijke bescherming, zoals ventilatiesystemen en luchtzuiverers, zijn duur, complex te installeren en vereisen vervanging van de filterelementen. De binnenluchtfilters bieden doorgaans luchtbescherming voor commerciële gebouwen, vanwege de hoge kosten van pompsystemen voor actieve luchtverversing. Recentelijk zijn er twee transparante luchtfilters voor woongebouwen via passieve raamventilatie in het zicht van de consument gekomen. Een is porieus membraanfilter, maar de porositeit van dit filter is erg laag, wat betekent dat hoge ventilatie niet bereikt kan worden. Een ander is nanovezel luchtfilter, dat porositeit kan bereiken van 70% en hoge ventilatie kan bereiken. Sommige laboratoria hebben een verscheidenheid aan venstergauwen voorbereid om de kwaliteit van de binnenlucht te beschermen met nanovezels. Bijvoorbeeld, Chen et al. rapporteerden een luchtfilter bereid met elektrogesponnen TPU polymere; TPU nanovezel luchtfilter is zeer effectief voor het verwijderen van PM2.5 (98,92%) met zeer lage drukval (10 Pa). Khalid et al. rapporteerden een nanovezel venstergauw gemaakt door directe blaastechnologie, wat goede optische doorlatendheid (80%) en hoge PM2.5 filtratie-efficiëntie (99%) heeft. Liu et al. bereidden een transparant luchtfilter door elektrospinnen, wat hoge ventilatie en hoge PM2.5 filtratie-efficiëntie (>95,0%) bereikte. Dit onderzoek werd echter in laboratoria ontwikkeld en het onderzoek naar het industriële proces van nanovezel filters is gering.

In de afgelopen jaren heeft elektrospintechnologie veel aandacht gekregen vanwege het lage energieverbruik, eenvoudige bediening, en milieuvriendelijke methoden voor het bereiden van nanovezels. Nanovezelmembranen bereid door elektrospinnen hebben hoge porositeit, micro-nano kanaal interconnecties, en hoge specifieke oppervlakte. Recentelijk heeft ons team een TPU nanovezel luchtfilter ontwikkeld dat in massa geproduceerd kan worden met een spinnerende kralenspinneret. Dit luchtfilter heeft een zeer hoge thermische stabiliteit, goede optische doorlatendheid van 60%, hoge PM2.5 verwijderingsefficiëntie van 99,654%, lange levensduur, lage luchtstroomsweerstand (ventilatiesnelheid 3348 mm/s), en licht gewicht.

Experimenteel

Materialen en Instrumenten

Polymeer TPU werd verkregen van Bayer Co., Ltd., Duitsland, met scheurvastheid, slijtvastheid, en UV-bescherming; het substraat conductieve gaas wordt geleverd door Qingdao Junada Technology Co., Ltd., China. De N,N-dimetylformamide (DMF) en aceton werden geleverd door Tianjin Zhonghe Shengtai Chemical Co., Ltd. Scanning elektronenmicroscopie (SEM Feiner Hoge Resolutie Professionele Editie Phenom Pro) wordt gebruikt om de morfologie van TPU vezels te bestuderen. Een automatische filtratieprestatietester voor het evalueren van filtratieprestaties FX3300 Lab Air-IV werd aangeschaft van Shanghai Lippo Co., Ltd., China. AFC-131 wordt gebruikt om de ventilatiesnelheid te testen, aangeschaft van Shanghai Huifen Electronic Technology Co., Ltd. Thermo Scientific Nicolet iS5 wordt gebruikt om infrarood te meten en de functionele groepen van TPU vezelmembraan te analyseren. Theta optische contacthoekmeter werd gebruikt om de contacthoek van TPU vezelfilm te analyseren. De lichtdoorlatendheid werd geëvalueerd met een UV1901PC ultraviolet-spectrofotometer en aangeschaft van Shanghai Aoxiang Scientific Instrument Co., Ltd., China.

Bereiding van Nanovezelmembranen

TPU nanovezelmembraan werd gefabriceerd met behulp van elektrospintoestel NES-1 (Qingdao Junada Technology Co., Ltd.), wat getoond wordt in Fig. 1a. Het hoofdfram is 2350 mm lang, 2200 mm breed, 2700 mm hoog, en weegt 1980 kg. Het touchscreen is Siemens PLC, het vermogen is 30 kV, en de spinnbreedte is 1,1 m. De gemiddelde vezeldiameter is ongeveer 120 nm, en het gewicht van het nanovezelmembraan is ongeveer 0,5 g per vierkante meter. Het substraat is geschikt voor cellulose, synthetische vezel, etc., en het polymere materiaal is geschikt voor TPU, PVP, PAN, etc. Het elektrospinfprincipe wordt getoond in Fig. 1b, en schematisch diagram van een nanovezelmembraan geproduceerd door elektrospinnen wordt getoond in Fig. 1c. De oplossing gebruikt in het elektrospinnen was om verschillende massa's TPU op te lossen in een gemengd oplosmiddel in een verhouding van DMF tot aceton in een volumeverhouding van 1:1; de spinnspanning was positieve druk 30 kV en negatieve hoge druk -30 kV, wat resulteerde in een stabiele straal; substraat bewegingsnelheid was 10 m/min; en de spindistantie werd gecontroleerd op 200 mm. De temperatuur en relatieve vochtigheid tijdens dit proces werden gecontroleerd op 25 °C en 50% RH. Om verschillende gemiddelde diameters van nanovezels te verkrijgen, werd de concentratie van TPU in de oplossing aangepast van 6 tot 16 wt%. De TPU-oplossing werd elektrogesponnen op conductief gaas onder dezelfde condities. De verschillende concentraties TPU vezelmembranen werden TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU-12, TPU-14, en TPU-16 genoemd, respectievelijk.

Resultaten en Discussie

Karakterisering 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 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 16 wt%, respectievelijk. Wanneer de TPU-concentraties tussen 6 wt% en 12 wt% (Fig. 2a-d), zijn er veel kralenachtige nanovezels van verschillende groottes. Dit kan toegeschreven worden aan de lage viscositeit van de polymere TPU moleculaire ketting met de lage concentratie van de TPU-oplossing. Daarom is in het proces van elektrospinnen van lage concentratie TPU-oplossing, de uitleging moeilijk om de rek van het elektrisch veld te weerstaan. Daarnaast, door de viscoelasticiteit van de TPU moleculaire ketting, zal de uitleging gerekt door de elektrisch veldkracht agglomereren om kralenachtige nanovezels te vormen. Echter, naarmate de concentratie van TPU toeneemt, neemt de viscositeit van de oplossing toe, en het elektrospinfproces zal nanovezels vormen in plaats van kralenachtige nanovezels, dus de kralenachtige nanovezels worden steeds minder en verdwenen uiteindelijk volledig (Fig. 2e-f). Aan de andere kant, de viscositeit van de oplossing is een belangrijke parameter die de diameter van de nanovezel beïnvloedt. Wanneer de concentratie van de TPU-oplossing toeneemt, neemt de viscositeit van de oplossing ook toe, dus de diameter van de nanovezel neemt toe, zoals getoond 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 nanovezel diameter is ~ 0,10 μm, ~ 0,12 μm, ~ 0,14 μm, ~ 0,17 μm, ~ 0,34 μm, en ~ 1,97 μm, corresponderend met TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU-12, TPU-14, en TPU-16.

Fourier Transform Infrarood Spectrum Analyse

Om de samenstelling van het bereide TPU nanovezelmembraan te identificeren, is het noodzakelijk om Fourier transformatie infraroodspectroscopie (FTIR) analyse uit te voeren op het monster. Eerst de apparatuur voor een half uur voorverwarmen, de druk wordt gecontroleerd op 15 Mpa, de werkingsspanning is 220 V, de omgevingstemperatuur wordt gecontroleerd op 20 °C, de omgevingsvochtigheid wordt gecontroleerd 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. Sterke absorptiepieken werden waargenomen bij golflengtes 3330,18 cm^-1, 2960,51 cm^-1, en 1215,86 cm^-1, wat de aanwezigheid van N-H en C-H functionele groepen aangeeft. Het oppervlak van de TPU nanovezel heeft hydrofobe functionele groepen, en het oppervlak van het vezelmembraan is glad en dicht. Dus het bereide transparante luchtfilter heeft een zekere hydrofobe functie. Vanwege de hydrofobe aard van het TPU vezelmembraan, kan het TPU transparante luchtfilter het raam openen op regenachtige dagen.

Filtratie-efficiëntie Analyse

Filtratie-efficiëntie is de belangrijkste parameter voor het evalueren van transparante luchtfilters. De filtratie-efficiëntie test werd uitgevoerd op verschillende TPU vezelmembranen. In deze studie waren de testcondities hetzelfde, de temperatuur was 20 °C, de relatieve vochtigheid was 40,6%, de stroomsnelheid is 2,0 m³/h, en PM verontreinigingen zijn aerosol deeltjes. 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 PM deeltjes, zoals PM2.5 (Fig. 4b), met de TPU-concentratie toegenomen van 6 tot 12 wt%, is de verwijderingsefficiëntie significant toegenomen, wat toegeschreven kan worden aan het feit dat het membraan gevormd door nanovezels met grotere diameter beter PM deeltjes kunnen weerstaan. Echter, met de TPU-concentratie toegenomen van 12 tot 16 wt%, resulteert de toename in de afstand tussen de vezels en het verdwijnen van de kralenachtige vezels in een significante afname van de verwijderingsefficiëntie van het TPU vezelmembraan. De toename in de concentratie van de oplossing maakt de utrekking van de elektrospinfstraal moeilijker en langzamer, wat resulteert in een toename van de poriegrootte van het TPU vezelmembraan. Figuur 4c-e toont de doorgang van deeltjesmaterie door verschillende diameter vezelmembranen. De grotere vezeldiameter voorkomt effectief dat PM door het vezelmembraan passeert, 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 TPU-12. Wanneer de deeltjesdiameter ≥ 0,525 μm is, is de verwijderingsefficiëntie 100%, en de drukval is slechts 10 Pa. Daarnaast is de TPU-10 op PM2.5 verwijderingsefficiëntie 99,654%.

Ventilatiesnelheid Analyse

Het handhaven van hoge ventilatie is een belangrijke eigenschap om de prestaties van het luchtfilter te evalueren. Zes monsters werden getest voor ventilatiesnelheid onder dezelfde condities. Het meetoppervlak was 20 cm² en de meetdruk was 200 Pa. De ventilatiesnelheid van verschillende concentraties TPU nanovezelmembranen wordt getoond in Fig. 5a, en de corresponderende 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, dan blijft stijgen en ten slotte licht te dalen, corresponderend met de oplossingsconcentratie toegenomen van 6 tot 8 wt%, 8 tot 14 wt%, en 14 tot 16 wt%. Er zijn twee hoofredenen die de ventilatiesnelheid beïnvloeden: nanovezel pakkingdichtheid en de gemiddelde vezeldiameter. De nanovezel pakkingdichtheid wordt als volgt berekend:

Hier is α de nanovezel pakkingdichtheid, W is het basisgewicht van het nanovezelmembraan, ρ_f is de dichtheid van het nanomateriaal, en Z is de nanovezelfilm dikte. De ventilatiesnelheid begint te dalen voornamelijk door de toename van de gemiddelde TPU nanovezel diameters (Fig. 5b, c). Naarmate de concentratie van TPU toeneemt van 8 tot 14 wt%, leidt de afname in de pakkingdichtheid van nanovezels tot een toename in de afstand tussen de nanovezels, wat gunstig is voor de ventilatiesnelheid, zelfs als de diameter van de nanovezels toeneemt (Fig. 5d). Wanneer het nanovezelmembraan gemaakt is van een oplossing met een TPU-concentratie van 14 tot 16 wt%, speelt de nanovezel diameter een cruciale rol in de ventilatiesnelheid, en de geassocieerde ventilatiesnelheid daalt iets (Fig. 5e). Wanneer de TPU-concentratie toeneemt tot 10 wt%, is de ventilatiesnelheid tot 3480 mm/s, zo'n hoge ventilatiesnelheid is equivalent aan een blanco scherm zonder nanovezelmembraan.

Contacthoek Analyse

Hydrofobiciteit is een belangrijke parameter voor het evalueren van de prestaties van luchtfilters, en de benettingsbaarheid van het verkregen TPU vezelmembraan werd gemeten door DSA met een 5-μL druppel. De resultaten worden getoond in Fig. 6a-f, de contacthoeken zijn 138,6°, 133,4°, 128,5°, 122,8°, 112,7°, en 107,7°, corresponderend 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 polymere TPU zeer hydrofoob is door de hydrofobe functionele groepen op het oppervlak van het TPU nanovezelmembraan, de kleine vezeldiameter leidt tot glad membraanoppervlak en dichte vezelmembraanstructuur. Echter, naarmate de concentratie van TPU groter wordt, wordt de contacthoek lager en lager (Fig. 6g), omdat de ruwheid van het oppervlak van het vezelmembraan groter wordt. De relatie tussen contacthoek en oppervlakteruwheid van nanovezelmembraan kan begrepen worden door de Wenzel vergelijking, die als volgt gedefinieerd is:

Hier is r de oppervlakteruwheidsfactor, wat de verhouding is van de werkelijke oppervlakte van het oppervlak tot de geometrische geprojecteerde oppervlakte (r ≥ 1), θ' is de contacthoek van het ruwe oppervlak. Zoals getoond in Fig. 6h-i, met de toename van de TPU-concentratie, neemt de diameter van de TPU nanovezel toe, en de toegenomen ruwheid van het oppervlak van het nanovezelmembraan, wat resulteert in een steeds lagere contacthoek.

Transparantie en Herhaalbaarheidstesten

Een andere belangrijke parameter van het transparante luchtfilter is transmissie; de doorlatendheid van de zes monsters werd getest en de resultaten worden getoond in Fig. 7a. Het werd gevonden dat de doorlatendheid eerst afnam en toenam, corresponderend met de toename van TPU-concentratie van 6 tot 12 wt% en 12 tot 16 wt%. Wanneer de TPU-concentratie van 6 tot 12 wt% is, wordt de doorlatendheid van het vezelmembraan geleidelijk verminderd, voornamelijk omdat de oplossingsconcentratie aan het begin te laag is (zoals 6 wt% en 8 wt%), en het elektrospinfproces niet gemakkelijk vezels vormt. Wanneer de concentratie van de oplossing toeneemt, is de oplossingsconcentratie meer geschikt voor elektrospinnen, zodat steeds meer vezels worden gevormd door elektrospinnen. De nanovezel diameter wordt ook groter, en het vezelmembraan wordt dikker en dikker, zodat minder licht door het vezelmembraan kan passeren. 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 het doorlaten van licht door het vezelmembraan. Wanneer de oplossingsconcentratie van 12 tot 16 wt% is, neemt de doorlatendheid van het vezelmembraan geleidelijk toe, voornamelijk omdat de viscositeit van de oplossing toeneemt, en het elektrospinfproces wordt geleidelijk moeilijker, zodat minder nanovezel wordt geproduceerd. Een andere reden is dat naarmate de concentratie van de oplossing toeneemt, het kralenverhaal verdwijnt, wat meer bijdraagt aan het doorlaten van licht door het vezelmembraan. Doorlatendheden van 80%, 75%, 60%, 30%, 45%, en 70%, corresponderend 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% maar de transmissiesnelheid is ook zo hoog als 60%. Figuur 7b toont de foto van het TPU-10 nanovezelmembraan met 60% doorlatendheid. Voor luchtfilters met een transmissie van meer dan 50%, kan voldoende licht door de kamer worden overgedragen om aan de binnenverlichtingsvereisten te voldoen.

Overwegend dat langdurige filtratieprestaties en hoge luchtstroom belangrijke factoren in luchtfilters zijn, hebben we TPU vezelmembranen gerecycled en de filtratie-efficiëntie en ventilatiesnelheid voortgezet om te testen, en de resultaten worden getoond in Fig. 8. Figuur 8a toont foutbalken voor gecombineerde verwijderingsefficiëntie van 10 cycli testen van PM2.5 filtratie van TPU nanovezelmembraan. Na 10 doorlopen van TPU-10 filtratie, was de filtratie-efficiëntie slechts met 1,6% gedaald (van 99,4% tot 97,8%). Daarnaast worden foutbalken voor de ventilatiesnelheden van de 10 testcycli voor verschillende TPU-concentratie vezelmembranen getoond in Fig. 8b. De ventilatiesnelheid veranderde langzaam en daalde niet significant. Na tien ademtesten was de ventilatiesnelheid slechts met ongeveer 10 mm/s gedaald, wat aangeeft dat het ventilatie-effect zeer stabiel is.

Conclusie

Samengevat, we gebruiken een roterende kralenspinneret voor elektrospinnen om een transparant luchtfilter te creëren dat op grote schaal geproduceerd kan worden. Door de concentratie van TPU polymere in de oplossing te veranderen, wordt niet alleen significante PM2.5 verwijderingsefficiëntie (99,654%) bereikt, maar ook goede optische doorlatendheid (60%) en ventilatiesnelheid (3480 mm/s). Daarnaast, door 10 cycli van filtratie- en gasontluchtingstesten op het TPU transparante luchtfilter uit te voeren, toonden de resultaten dat de filtratie-efficiëntie slechts met 1,6% gedaald was, en de ventilatiesnelheid veranderde erg langzaam en bleef in wezen onveranderd. Deze resultaten geven aan dat TPU nanovezelmembranen bereid door elektrospinnen veel voordelen hebben zoals goede waterafstotendheid, goede optische doorlatendheid, hoge ventilatiesnelheid, en hoge filtratieprestaties, die gebruikt kunnen worden als filtermaterialen in veel velden.