Filtre à air en nanofibres de polyuréthane transparent pour une capture haute efficacité des PM2,5

Introduction

Les particules fines (PM) sont composées de diverses particules fines solides et de gouttelettes contenant jusqu'à des centaines de composants chimiques. Les PM sont principalement composées de trois substances chimiques principales, notamment des ions hydrosolubles, des composés contenant du carbone et d'autres composés inorganiques [1,2,3,4,5]. Les PM proviennent principalement de la combustion de combustibles fossiles et de déchets, et elles sont riches en substances toxiques et en particules nocives [1, 3,4,5,6]. Selon la taille du diamètre des particules, les PM sont principalement divisées en PM2,5 et PM10, ce qui signifie que le diamètre aérodynamique des particules est inférieur à 2,5 µm et 10 µm. PM10 reste dans l'air de quelques minutes à quelques heures avec une distance de déplacement limitée ; cependant, les PM2,5 ont un long temps de séjour dans l'atmosphère et peuvent durer de plusieurs jours à plusieurs semaines [2, 5]. Même si les PM2,5 tombent au sol, il est facile d'être renvoyées dans les airs par le vent. Par le processus de respiration, les PM2,5 peuvent pénétrer dans le corps et s'accumuler dans la trachée ou les poumons, ce qui affectera négativement la santé humaine [7,8,9]. Les PM2,5 ont également un impact majeur sur le climat et l'environnement écologique, notamment en affectant le processus de précipitation [10,11,12,13,14]. Au cours des 10 dernières années, la pollution de l'air par les PM2,5 est devenue de plus en plus grave, en particulier dans certains pays en développement tels que la Chine et l'Inde [4, 15]. Dans la vie quotidienne, les habitants de ces pays sont souvent confrontés à un temps de brume sévère. Pour cette raison, il est très nécessaire de prendre une certaine protection contre les PM2.5.

À l'heure actuelle, les mesures de protection contre la brume sévère sont principalement axées sur la protection individuelle à l'extérieur, comme le port de masques anti-poussière professionnels, qui peuvent filtrer efficacement les particules [16, 17]. Les protections individuelles intérieures, telles que les systèmes de ventilation et le purificateur d'air, sont coûteuses, compliquées à installer et nécessitent le remplacement des éléments filtrants [6]. Les filtres à air intérieur fournissent généralement une protection de l'air pour les bâtiments commerciaux, en raison du coût élevé des systèmes de pompage pour l'échange d'air actif. Récemment, il existe deux filtres à air transparents pour les bâtiments résidentiels par des fenêtres de ventilation passive qui entrent dans la vision du consommateur [17]. L'un est un filtre à membrane poreuse, mais la porosité de ce filtre est très faible, ce qui signifie qu'une ventilation élevée ne peut pas être obtenue. Un autre est le filtre à air en nanofibres, dont la porosité peut atteindre 70% et peut atteindre une ventilation élevée. Certains laboratoires ont préparé une variété de moustiquaires pour protéger la qualité de l'air intérieur avec des nanofibres. Par exemple, Chen et al. [18] ont rapporté un filtre à air préparé à l'aide d'un polymère TPU électrofilé; Le filtre à air en nanofibres TPU est très efficace pour éliminer les PM2,5 (98,92 %) avec une très faible chute de pression (10 Pa). Khalid et al. [19] ont rapporté un écran de fenêtre en nanofibres fabriqué par la technologie de soufflage direct, qui présente une bonne transparence optique (80 %) et une efficacité de filtration élevée des PM2,5 (99 %). Liu et al. [6] ont préparé un filtre à air transparent par électrofilage, qui a permis d'obtenir une ventilation élevée et une efficacité de filtration élevée des PM2,5 (> 95,0%). Cependant, cette recherche a été développée en laboratoire et la recherche du procédé industriel de filtre à nanofibres est peu développée.

Ces dernières années, la technologie d'électrofilage a reçu une grande attention en raison de sa faible consommation d'énergie, de son fonctionnement simple et de ses méthodes respectueuses de l'environnement pour préparer les nanofibres [20, 21]. Les membranes en nanofibres préparées par électrofilage ont une porosité élevée, des interconnexions de micro-nanocanaux et une surface spécifique élevée [22,23,24,25,26,27,28,29]. Récemment, notre équipe a développé un filtre à air en nanofibres TPU qui peut être produit en série à l'aide d'une filière à billes tournantes [30, 31]. Ce filtre à air présente une stabilité thermique très élevée, une bonne transparence optique de 60 %, une efficacité d'élimination élevée des PM2,5 de 99,65 4%, une longue durée de vie, une faible résistance au flux d'air (taux de ventilation de 3348  mm/s) et un poids léger.

Expérimental

Matériaux et instruments

Le polymère TPU a été obtenu auprès de Bayer Co., Ltd., Allemagne, avec une résistance à la déchirure, une résistance à l'abrasion et une protection contre les UV ; le treillis conducteur du substrat est fourni par Qingdao Junada Technology Co., Ltd., Chine. Le N,N -le diméthylfomamide (DMF) et l'acétone ont été fournis par Tianjin Zhonghe Shengtai Chemical Co., Ltd. La microscopie électronique à balayage (SEM Feiner High Resolution Professional Edition Phenom Pro) est utilisée pour étudier la morphologie des fibres TPU. Un testeur automatique de performances de filtration pour évaluer les performances de filtration FX3300 Lab Air-IV a été acheté auprès de Shanghai Lippo Co., Ltd., Chine. L'AFC-131 est utilisé pour tester le taux de ventilation acheté auprès de Shanghai Huifen Electronic Technology Co., Ltd. Le Thermo Scientific Nicolet iS5 est utilisé pour mesurer l'infrarouge et analyser les groupes fonctionnels des membranes en fibre TPU. Un mètre d'angle de contact optique thêta a été utilisé pour analyser l'angle de contact du film de fibre TPU. La transmission de la lumière a été évaluée à l'aide d'un spectrophotomètre ultraviolet UV1901PC et acheté auprès de Shanghai Aoxiang Scientific Instrument Co., Ltd., Chine.

Préparation de membranes nanofibreuses

La membrane en nanofibres TPU a été fabriquée à l'aide de l'équipement d'électrofilage NES-1 (Qingdao Junada Technology Co., Ltd.), qui est illustré à la figure 1a. Le châssis principal mesure 2350 mm de long, 2200 mm de large, 2700 mm de haut et pèse 1980 kg. L'écran tactile est Siemens PLC, la puissance est de 30 kV et la largeur de filage est de 1,1 m. Le diamètre moyen des fibres est d'environ 120 nm et le poids de la membrane en nanofibres est d'environ 0,5 g par mètre carré. Le substrat convient à la cellulose, à la fibre synthétique, etc., et le matériau polymère convient au TPU, au PVP, au PAN, etc. dans la figure 1c. La solution utilisée dans l'électrofilage consistait à dissoudre différentes masses de TPU dans un solvant mixte dans un rapport de DMF à l'acétone dans un rapport en volume de 1:1; la tension de rotation était une pression positive de 30 kV et une haute pression négative de − 30 kV, ce qui a donné un jet stable ; la vitesse de déplacement du substrat était de 10 µm/min; et la distance de filage a été contrôlée à 200 um. La température et l'humidité relative au cours de ce processus ont été contrôlées à 25 °C et 50 % HR. Afin d'obtenir différents diamètres moyens de nanofibres, la concentration de TPU dans la solution a été ajustée de 6 à 16 % en poids. La solution de TPU a été électrofilée sur un treillis conducteur dans les mêmes conditions. Les différentes concentrations de membranes en fibre TPU ont été nommées respectivement TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU-12, TPU-14 et TPU-16.

Équipement d'électrofilage. un Une image de l'appareil d'électrofilage utilisé dans ce travail. b Schéma de principe de l'installation d'électrofilage avec des filières rotatives à tringle. c La membrane en nanofibres de ce filtre à air est un échantillon produit par l'appareil d'électrofilage

Résultats et discussion

Caractérisation de la morphologie et des structures

L'une des tendances importantes dans la caractérisation membranaire des nanofibres est la morphologie de la surface membranaire. La morphologie de la membrane en nanofibres TPU a été observée par SEM, et la tension utilisée était un système d'imagerie à balayage de 10 kV. Comme le montrent les figures 2a–f, les morphologies microscopiques de la membrane de nanofibres obtenue à partir de la solution de TPU électrofilée sont présentées sous différentes concentrations de TPU de 6 % en poids, 8 % en poids, 10 % en poids, 12 % en poids, 14 % en poids et 16 % en poids, respectivement. Lorsque les concentrations de TPU sont comprises entre 6 % en poids et 12 % en poids (Fig. 2a–d), il existe de nombreuses nanofibres en forme de billes de différentes tailles. Cela peut être attribué à la faible viscosité de la chaîne moléculaire du polymère TPU avec la faible concentration de la solution de TPU. Par conséquent, dans le processus d'électrofilage d'une solution de TPU à faible concentration, l'éjection était difficile à résister à l'étirement de la force du champ électrique [32]. De plus, en raison de la viscoélasticité de la chaîne moléculaire du TPU, l'éjection étirée par la force du champ électrique va s'agréger pour former des nanofibres perlées [33]. Cependant, à mesure que la concentration de TPU augmente, la viscosité de la solution augmente et le processus d'électrofilage formera des nanofibres au lieu de nanofibres perlées, de sorte que les nanofibres perlées deviennent de moins en moins et finissent par disparaître complètement (Fig. 2e-f). D'autre part, la viscosité de la solution est un paramètre important affectant le diamètre de la nanofibre [34]. Lorsque la concentration de la solution de TPU augmente, la viscosité de la solution augmente également, de sorte que le diamètre de la nanofibre augmente, comme le montre la figure 2a–f. Lorsque la concentration de TPU est supérieure à 14 % en poids, le diamètre des nanofibres augmente rapidement (Fig. 2e–f). Le diamètre moyen de la nanofibre est calculé par NanMeasurer. Le diamètre moyen des nanofibres de TPU est de ~ 0,10 μm, ~ 0,12 μm, ~ 0,14 μm, ~ 0,17 μm, ~ 0,34 μm et ~ 1,97 μm, correspondant à TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU-12, TPU -14 et TPU-16.

Images SEM de TPU électrofilé. Images SEM a–f et distributions de diamètre avec des concentrations de TPU de 6 % en poids, 8 % en poids, 10 % en poids, 12 % en poids, 14 % en poids et 16 % en poids, respectivement

Analyse du spectre infrarouge à transformée de Fourier

Pour identifier la composition de la membrane de nanofibres TPU préparée, il est nécessaire d'effectuer une analyse par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) sur l'échantillon. Tout d'abord, préchauffez l'équipement pendant une heure et demie, la pression est contrôlée à 15 Mpa, la tension de fonctionnement est de 220 V, la température ambiante est contrôlée à 20 °C, l'humidité ambiante est contrôlée à 40 %, la fréquence est de 50 Hz, et le courant est de 7,5 A. Les résultats du test sont comme indiqué sur la figure 3, qui est évidemment le même que le spectre infrarouge du substrat en polyuréthane. Le spectre est illustré à la Fig. 3. De forts pics d'absorption ont été observés aux nombres d'onde 3330,18 cm ^-1 , 2960,51 cm ^-1 , et 1215,86 cm ^-1 , indiquant la présence de groupes fonctionnels N-H et C-H. La surface de la nanofibre TPU a des groupes fonctionnels hydrophobes, et la surface de la membrane fibreuse est lisse et dense. Ainsi, le filtre à air transparent préparé a une certaine fonction hydrophobe. En raison de la nature hydrophobe de la membrane en fibre de TPU, le filtre à air transparent en TPU peut ouvrir la fenêtre les jours de pluie.

Composition de la membrane en nanofibres TPU. Démonstration FTIR de TPU indiquant la présence de divers groupes fonctionnels

Analyse de l'efficacité de la filtration

L'efficacité de la filtration est le paramètre le plus important pour évaluer les filtres à air transparents. Le test d'efficacité de filtration a été réalisé sur différentes membranes en fibre TPU. Dans cette étude, les conditions de test étaient les mêmes, la température était de 20 °C, l'humidité relative était de 40,6 %, le débit était de 2,0 m ³ /h, et les polluants PM sont des particules d'aérosol. La distribution granulométrique des PM et l'effet de filtration de chaque échantillon sont illustrés à la figure 4a. L'efficacité de filtration est positivement corrélée avec la taille des particules PM. Pour la même taille de particules PM, telles que les PM2,5 (Fig. 4b), avec une augmentation de la concentration de TPU de 6  à 12 % en poids, l'efficacité d'élimination est considérablement augmentée, ce qui peut être attribué au fait que la membrane s'agite de les nanofibres de plus grand diamètre sont meilleures aux particules PM résistantes. Cependant, avec l'augmentation de la concentration en TPU de 12 à 16 % en poids, l'augmentation de l'espacement entre les fibres et la disparition des fibres de la tringle entraînent une diminution significative de l'efficacité d'élimination de la membrane en fibre de TPU [18]. L'augmentation de la concentration de la solution rend l'allongement du jet d'électrofilage plus difficile et plus lent, entraînant une augmentation de la taille des pores de la membrane en fibre TPU. La figure 4c-e montre le passage de particules à travers des membranes en fibres de différents diamètres. Le diamètre plus grand des fibres empêche efficacement les particules de traverser la membrane des fibres, et à mesure que la concentration en TPU augmente, le diamètre des fibres augmente, mais la distance entre les fibres de phase augmente également, ce qui entraîne une diminution de l'efficacité de filtration. L'efficacité d'élimination la plus élevée des PM2.5 est le TPU-12. Lorsque le diamètre des particules est ≥ 0,525  μm, l'efficacité d'élimination est de 100 % et la chute de pression n'est que de 10  Pa. De plus, l'efficacité d'élimination du TPU-10 sur PM2.5 est de 99,654%.

Évaluation de l'efficacité de filtration d'une membrane en fibre TPU. un Supprimez l'efficacité des PM de différentes tailles avec des concentrations de TPU de 6 % en poids, 8 % en poids, 10 % en poids, 12 % en poids, 14 % en poids et 16 % en poids, respectivement. b Efficacité d'élimination des PM2.5 de différentes concentrations de membranes en fibre TPU. c –e PM à travers des membranes en fibres de différents diamètres

Analyse du taux de ventilation

Maintenir une ventilation élevée est une propriété importante pour évaluer les performances du filtre à air. Six échantillons ont été testés pour le taux de ventilation dans les mêmes conditions. La zone de mesure était de 20 cm ² et la pression de mesure était de 200  Pa. Le taux de ventilation de différentes concentrations de membranes en nanofibres TPU est illustré à la figure 5a, et la chute de pression correspondante est de 6 Pa, 15 Pa, 12 Pa, 10 Pa, 7 Pa et 9 Pa. Le taux de ventilation des différentes membranes TPU commence d'abord à baisser, puis continue d'augmenter et enfin de baisser légèrement, correspondant à une concentration de la solution augmentant de 6 à 8 % en poids, 8 à 14 % en poids et 14 à 16 % en poids. Il y a deux raisons principales pour affecter le taux de ventilation :la densité de compactage des nanofibres et le diamètre moyen des fibres [34]. La densité de compactage des nanofibres est calculée comme suit :

Évaluation du taux de ventilation de la membrane en fibre TPU. un Taux de ventilation de différentes concentrations de membranes en fibre TPU. b –e L'air passe à travers des fibres de différents diamètres

Ici, α est la densité de compactage des nanofibres, W est la masse surfacique de la membrane en nanofibres, ρ _f est la densité du nanomatériau, et Z est l'épaisseur du film de nanofibres. Le taux de ventilation commence à baisser est principalement dû à l'ajout de diamètres moyens de nanofibres de TPU (Fig. 5b, c). Lorsque la concentration de TPU augmente de 8 à 14 % en poids, la diminution de la densité de compactage des nanofibres entraîne une augmentation de la distance entre les nanofibres, ce qui est bénéfique pour le taux de ventilation, même si le diamètre des nanofibres augmente (Fig. 5d). Lorsque la membrane en nanofibres est constituée d'une solution avec une concentration en TPU de 14 à 16 % en poids, le diamètre des nanofibres joue un rôle crucial dans le taux de ventilation, et le taux de ventilation associé diminue légèrement (Fig. 5e). Lorsque la concentration de TPU augmente à 10 % en poids, le taux de ventilation peut atteindre 3 480 mm/s, un taux de ventilation aussi élevé équivaut à un écran vierge sans membrane en nanofibres.

Analyse de l'angle de contact

L'hydrophobie est un paramètre important pour évaluer les performances des filtres à air, et la mouillabilité de la membrane en fibre TPU obtenue a été mesurée par DSA à l'aide d'une gouttelette de 5 L. Les résultats sont montrés sur la Fig. 6a–f, les angles de contact sont de 138,6°, 133,4°, 128,5°, 122,8°, 112,7° et 107,7°, correspondant à TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU- 12, TPU-14 et TPU-16. L'angle de contact de tous les échantillons était supérieur à 90 °, ce qui indique que le filtre à air transparent préparé avec du polymère TPU est hautement hydrophobe en raison des groupes fonctionnels hydrophobes à la surface de la membrane en nanofibres TPU, le petit diamètre de la fibre conduit à une surface de membrane lisse et structure dense de membrane de fibre. Cependant, à mesure que la concentration de TPU augmente, l'angle de contact devient de plus en plus bas (Fig. 6g), car la rugosité de la surface de la membrane fibreuse devient plus grande. La relation entre l'angle de contact et la rugosité de surface de la membrane en nanofibres peut être comprise par l'équation de Wenzel, qui est définie comme suit :

Caractérisation de l'angle de contact de la membrane en fibre TPU. a–f Test de l'angle de contact de différentes concentrations de membranes en fibre TPU à l'aide de gouttelettes de 5 L. g Angle de contact de différentes concentrations de membrane en fibre TPU. h –je Gouttelettes à la surface de fibres de différents diamètres.

Ici, r est le facteur de rugosité de surface, qui est la proportion de la surface réelle de la surface à la surface géométrique projetée ( r 1), θ ^′ est l'angle de contact de la surface rugueuse. Comme le montre la figure 6h–i, avec l'augmentation de la concentration de TPU, le diamètre de la nanofibre de TPU augmente et la rugosité de la surface de la membrane de nanofibre augmente, ce qui entraîne un angle de contact de plus en plus faible.

Tests de transparence et de reproductibilité

Un autre paramètre important du filtre à air transparent est la transmission; la transmittance des six échantillons a été testée et les résultats sont présentés sur la figure 7a. Il a été constaté que la transmittance a d'abord continué à diminuer puis à augmenter, correspondant à l'augmentation de la concentration de TPU de 6 à 12 % en poids et de 12 à 16 % en poids. Lorsque la concentration en TPU est comprise entre 6 et 12 % en poids, la transmittance de la membrane en fibre est progressivement réduite, principalement parce que la concentration de la solution est trop faible au début (telle que 6 % en poids et 8 % en poids), et le processus d'électrofilage ne forme pas facilement des fibres. Lorsque la concentration de la solution augmente, la concentration de la solution est plus adaptée à l'électrofilage, de sorte que de plus en plus de fibres sont formées par électrofilage. Le diamètre de la nanofibre devient également plus grand et la membrane fibreuse devient de plus en plus épaisse, de sorte que moins de lumière peut traverser la membrane fibreuse. D'autre part, comme la concentration de la solution est trop faible, l'électrofilage forme un grand nombre de billes (Fig. 2a-d), ce qui empêche la lumière de traverser la membrane fibreuse. Lorsque la concentration de la solution est comprise entre 12  et 16 % en poids, la transmittance de la membrane fibreuse augmente progressivement, principalement parce que la viscosité de la solution augmente et que le processus d'électrofilage devient progressivement difficile, de sorte que moins de nanofibres sont produites. Une autre raison est qu'au fur et à mesure que la concentration de la solution augmente, le cordon perlé disparaît, ce qui contribue à faire passer plus de lumière à travers la membrane fibreuse. Transmissions de 80 %, 75 %, 60 %, 30 %, 45 % et 70 %, correspondant à TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU-12, TPU-14 et TPU-16. Le TPU-10 a non seulement une efficacité de filtration de 99,654% et le taux de transmission atteint 60%. La figure 7b montre la photographie de la membrane en nanofibres TPU-10 avec 60% de transmittance. Pour les filtres à air avec une transmission de plus de 50 %, une lumière suffisante peut être transmise à travers la pièce pour répondre aux exigences d'éclairage intérieur.

Propriétés de transmission de la membrane en fibre TPU. un Transmission de différentes concentrations de membrane en fibre TPU. b Photographies de la concentration en TPU de filtres à air transparents à 10 % en poids à 60 % de transparence

Considérant que les performances de filtration à long terme et le débit d'air élevé sont des facteurs importants dans les filtres à air, nous avons recyclé des membranes en fibre de TPU et avons continué à tester l'efficacité de filtration et le taux de ventilation, et les résultats sont présentés sur la figure 8. La figure 8a montre des barres d'erreur pour efficacité d'élimination combinée de 10 cycles de test de filtration PM2.5 de la membrane en nanofibres TPU. Après 10 passages de filtration TPU-10, l'efficacité de filtration n'a été réduite que de 1,6% (de 99,4 à 97,8%). De plus, des barres d'erreur pour les taux d'aération des 10 cycles d'essai pour différentes membranes en fibres à concentration de TPU sont présentées sur la figure 8b. Le taux de ventilation a changé lentement et n'a pas diminué de manière significative. Après dix tests respiratoires, le taux de ventilation n'a été réduit que d'environ 10 mm/s, indiquant que l'effet de ventilation est très stable.

Reproductibilité du taux de ventilation et efficacité d'élimination de la membrane en fibre composite. un Reproductibilité de l'efficacité d'élimination. b Reproductibilité du taux de ventilation

Conclusion

En résumé, nous utilisons une filière à billes rotative pour l'électrofilage afin de créer un filtre à air transparent qui peut être produit à grande échelle. En modifiant la concentration de polymère TPU en solution, non seulement une efficacité d'élimination des PM2,5 significative (99,654%) est obtenue, mais également une bonne transparence optique (60%) et un taux de ventilation (3480 mm/s) sont obtenus. De plus, en effectuant 10 cycles de tests de filtration et d'évacuation des gaz sur le filtre à air transparent TPU, les résultats ont montré que l'efficacité de filtration n'était réduite que de 1,6% et que le taux de ventilation était modifié très lentement et restait sensiblement inchangé. Ces résultats indiquent que les membranes en nanofibres TPU préparées par électrofilage présentent de nombreux avantages tels qu'une bonne imperméabilité à l'eau, une bonne transparence optique, un taux de ventilation élevé et des performances de filtration élevées, qui peuvent être utilisées comme matériaux filtrants dans de nombreux domaines.

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié.