Filtre nanofibre polyuréthane transparent : capture ultra-efficace PM2,5 pour air plus pur

Résumé

Les particules fines (PM) affectent gravement la vie humaine : santé, climat, environnement écologique. Récemment, de nombreux chercheurs utilisent l'électrofilage pour préparer des filtres à air en nanofibres pour l'élimination efficace des particules fines. Cependant, l'électrofilage uniforme de fibres polymères sur toile de fenêtre n'est réalisé qu'en laboratoire, l'industrialisation restant très difficile. Ici, nous rapportons une méthode d'électrofilage utilisant une filière à billes rotatives pour l'électrofilage à grande échelle de polyuréthane thermoplastique (TPU) sur maille conductrice avec une productivité de 1000 m²/jour. En ajustant la concentration de TPU dans la solution polymère, l'efficacité d'élimination PM2,5 du filtre à air nanofibre atteint 99,654 % avec une bonne transparence optique de 60 %, l'angle de contact et le débit de ventilation étant respectivement 128,5° et 3480 mm/s. Après 10 cycles de filtration, l'efficacité d'élimination ne diminue que de 1,6 %. Ce filtre à air transparent basé sur nanofibres TPU possède une excellente efficacité de filtration et débit de ventilation, assurant efficacement la qualité de l'air intérieur des bâtiments résidentiels.

Introduction

La matière particulaire fine (PM) est composée de diverses particules solides fines et gouttelettes avec jusqu'à des centaines de composants chimiques. Le PM comprend principalement trois substances chimiques majeures : ions hydrosolubles, composés carbonés et autres composés inorganiques. Le PM provient principalement de la combustion de combustibles fossiles et de déchets, et est riche en substances toxiques et particules nocives. Selon la taille du diamètre des particules, le PM se divise principalement en PM2,5 et PM10, signifiant que le diamètre aérodynamique est inférieur à 2,5 μm et 10 μm. Le PM10 reste dans l'air de quelques minutes à quelques heures avec une distance de parcours limitée ; le PM2,5 a un temps de résidence atmosphérique long, de plusieurs jours à plusieurs semaines. Même au sol, le PM2,5 est facilement remis en suspension par le vent. Par la respiration, le PM2,5 pénètre dans l'organisme et s'accumule dans la trachée ou les poumons, nuisant à la santé. Le PM2,5 impacte aussi le climat et l'environnement écologique, comme le processus de précipitations. Ces 10 dernières années, la pollution PM2,5 s'aggrave, surtout dans certains pays en développement comme Chine et Inde. Au quotidien, les habitants y rencontrent souvent un brouillard sévère. Il est donc très nécessaire de se protéger contre le PM2,5.

Actuellement, les mesures de protection contre le brouillard sévère visent principalement la protection personnelle en extérieur : masques anti-poussière professionnels filtrant efficacement les particules. La protection intérieure (systèmes de ventilation, purificateurs d'air) est coûteuse, complexe à installer et nécessite le remplacement des éléments filtrants. Les filtres à air intérieurs protègent généralement les bâtiments commerciaux, du fait du coût élevé des systèmes de pompage pour échange d'air actif. Récemment, deux filtres à air transparents pour bâtiments résidentiels par ventilation passive par fenêtres sont apparus. L'un est filtre à membrane poreuse, mais sa porosité très faible empêche une haute ventilation. L'autre est filtre à air nanofibre, dont la porosité peut atteindre 70 % et atteindre une haute ventilation. Certains laboratoires ont préparé divers écrans de fenêtre pour protéger la qualité de l'air intérieur avec nanofibres. Par exemple, Chen et al. ont rapporté un filtre à air par électrofilage de polymère TPU ; filtre nanofibre TPU très efficace pour éliminer PM2,5 (98,92 %) avec très faible chute de pression (10 Pa). Khalid et al. ont rapporté un écran de fenêtre nanofibre par technologie de soufflage direct, avec bonne transparence optique (80 %) et haute efficacité filtration PM2,5 (99 %). Liu et al. ont préparé un filtre à air transparent par électrofilage, atteignant haute ventilation et haute efficacité filtration PM2,5 (> 95,0 %). Cependant, ces recherches restent en laboratoire et la recherche sur le processus industriel de filtre nanofibre est rare.

Ces dernières années, la technologie d'électrofilage a reçu une attention extensive grâce à sa faible consommation d'énergie, fonctionnement simple et méthodes respectueuses de l'environnement pour préparer des nanofibres. Les membranes nanofibres par électrofilage ont haute porosité, interconnexions micro-nano canaux et haute surface spécifique. Récemment, notre équipe a développé un filtre à air nanofibre TPU productible en masse utilisant une filière à billes rotatives. Ce filtre a très haute stabilité thermique, bonne transparence optique 60 %, haute efficacité élimination PM2,5 99,654 %, longue durée de vie, faible résistance à l'écoulement d'air (débit ventilation 3348 mm/s) et poids léger.

Expérimental

Matériaux et instruments

Polymère TPU de Bayer Co., Ltd., Allemagne, avec résistance à la déchirure, abrasion et protection UV ; substrat maille conductrice de Qingdao Junada Technology Co., Ltd., Chine. DMF et acétone de Tianjin Zhonghe Shengtai Chemical Co., Ltd. Microscopie électronique à balayage (SEM Feiner High Resolution Professional Edition Phenom Pro) pour morphologie fibres TPU. Test automatique performance filtration FX3300 Lab Air-IV de Shanghai Lippo Co., Ltd. AFC-131 pour tester débit ventilation de Shanghai Huifen Electronic Technology Co., Ltd. Thermo Scientific Nicolet iS5 pour infrarouge et analyse groupes fonctionnels membrane fibres TPU. Théta mètre angle de contact optique pour analyser angle de contact film fibres TPU. Transmittance lumineuse évaluée par spectrophotomètre UV UV1901PC de Shanghai Aoxiang Scientific Instrument Co., Ltd.

Préparation des membranes nanofibres

La membrane nanofibre TPU a été fabriquée par équipement d'électrofilage NES-1 (Qingdao Junada Technology Co., Ltd.), figure 1a. Châssis principal : 2350 mm long, 2200 mm large, 2700 mm haut, 1980 kg. Écran tactile Siemens PLC, puissance 30 kV, largeur filage 1,1 m. Diamètre moyen fibre ~120 nm, poids membrane ~0,5 g/m². Substrat adapté cellulose, fibres synthétiques, etc. ; polymère adapté TPU, PVP, PAN, etc. Principe électrofilage figure 1b, schéma membrane nanofibre figure 1c. Solution : dissolution de différentes masses TPU dans solvant mixte DMF/acétone rapport volumique 1:1 ; tension filage +30 kV et −30 kV pour jet stable ; vitesse substrat 10 m/min ; distance filage 200 mm. Température 25 °C, humidité relative 50 %. Pour obtenir différents diamètres moyens, concentration TPU ajustée de 6 à 16 % pds. Solution TPU électrofilée sur maille conductrice mêmes conditions. Membranes fibres TPU différentes concentrations nommées TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU-12, TPU-14, TPU-16.

Résultats et discussion

Caractérisation morphologie et structures

La morphologie de surface de la membrane est une tendance importante dans la caractérisation des nanofibres. La morphologie de la membrane nanofibre TPU a été observée par SEM, tension 10 kV. Figures 2a–f : morphologies microscopiques des membranes nanofibres obtenues par électrofilage solution TPU sous concentrations 6, 8, 10, 12, 14, 16 % pds. Entre 6 et 12 % pds (fig. 2a–d), de nombreuses nanofibres perlées de tailles différentes apparaissent, dues à la faible viscosité de la chaîne moléculaire TPU à faible concentration. Lors de l'électrofilage de solution TPU faible concentration, l'éjection résiste difficilement à l'étirement par la force du champ électrique. De plus, par viscoélasticité de la chaîne TPU, l'éjection étirée s'agrège en nanofibres perlées. Quand la concentration TPU augmente, la viscosité augmente, le processus forme des nanofibres au lieu de nanofibres perlées : celles-ci diminuent et disparaissent complètement (fig. 2e–f). La viscosité influence aussi le diamètre des nanofibres. Quand la concentration augmente, la viscosité augmente, donc le diamètre augmente (fig. 2a–f). Au-delà de 14 % pds, le diamètre augmente rapidement (fig. 2e–f). Diamètres moyens calculés par NanMeasurer : ~0,10 ; 0,12 ; 0,14 ; 0,17 ; 0,34 ; 1,97 μm pour TPU-6 à TPU-16.

Analyse spectre infrarouge à transformée de Fourier

Pour identifier la composition de la membrane nanofibre TPU préparée, une analyse FTIR a été réalisée. Préchauffage 1,5 h, pression 15 MPa, tension 220 V, température 20 °C, humidité 40 %, fréquence 50 Hz, courant 7,5 A. Résultats figure 3, identiques au spectre infrarouge du polyuréthane substrat. Pics d'absorption forts à 3330,18 ; 2960,51 ; 1215,86 cm⁻¹, indiquant présence groupes N–H et C–H. Surface nanofibre TPU a groupes fonctionnels hydrophobes, surface membrane lisse et dense. Le filtre à air transparent TPU a donc une certaine fonction hydrophobe. Grâce à l'hydrophobicité, le filtre peut ouvrir la fenêtre les jours de pluie.

Analyse efficacité filtration

L'efficacité de filtration est le paramètre le plus important pour évaluer les filtres à air transparents. Test réalisé sur différentes membranes fibres TPU. Conditions identiques : température 20 °C, humidité relative 40,6 %, débit 2,0 m³/h, polluants PM = particules aérosol. Distribution taille PM et effet filtration chaque échantillon figure 4a. Efficacité filtration corrélée positivement à la taille particules PM. Pour même taille PM, ex. PM2,5 (fig. 4b), quand concentration TPU augmente 6→12 % pds, efficacité élimination augmente significativement, attribué au fait que membranes tissées par nanofibres plus gros diamètre résistent mieux aux particules PM. Cependant, 12→16 % pds, l'augmentation de l'espacement entre fibres et disparition des fibres perlées entraîne une diminution significative de l'efficacité élimination. L'augmentation de concentration rend l'étirement du jet plus difficile et lent, augmentant la taille des pores. Figures 4c–e : passage particules à travers membranes fibres différents diamètres. Diamètre fibre plus grand empêche efficacement le passage PM ; mais quand concentration TPU augmente, diamètre fibre augmente mais distance inter-fibres aussi, diminuant l'efficacité. Efficacité élimination PM2,5 maximale pour TPU-12. Quand diamètre particulaire ≥ 0,525 μm, efficacité 100 %, chute pression seulement 10 Pa. TPU-10 : efficacité PM2,5 99,654 %.

Analyse débit ventilation

Maintenir haute ventilation est propriété importante pour évaluer performance filtre air. Six échantillons testés mêmes conditions. Surface mesure 20 cm², pression 200 Pa. Débit ventilation différentes concentrations figure 5a, chutes pression correspondantes : 6, 15, 12, 10, 7, 9 Pa. Débit ventilation diminue d'abord, puis augmente, puis diminue légèrement, correspondant concentration 6→8, 8→14, 14→16 % pds. Deux raisons principales : densité d'empilement nanofibres et diamètre moyen fibres. Densité empilement calculée : α = W/(ρ_fZ) où α = densité empilement, W = grammage membrane, ρ_f = densité nanomatériau, Z = épaisseur film. Déclin initial dû principalement à l'augmentation du diamètre moyen nanofibres (fig. 5b, c). Concentration 8→14 % pds : diminution densité empilement augmente distance inter-nanofibres, bénéfique ventilation malgré augmentation diamètre (fig. 5d). Concentration 14→16 % pds : diamètre nanofibre rôle crucial, débit chute légèrement (fig. 5e). À concentration 10 % pds, débit ventilation atteint 3480 mm/s, équivalent à un écran vierge sans membrane nanofibre.

Analyse angle de contact

L'hydrophobicité est paramètre important pour évaluer performance filtres air. Mouillabilité membrane fibres TPU mesurée par DSA avec goutte 5 μL. Résultats figures 6a–f : angles contact 138,6° ; 133,4° ; 128,5° ; 122,8° ; 112,7° ; 107,7° pour TPU-6 à TPU-16. Tous angles > 90° : filtre transparent polymère TPU hautement hydrophobe grâce aux groupes fonctionnels hydrophobes surface nanofibres TPU, petit diamètre fibre → surface membrane lisse et structure dense. Cependant, concentration TPU augmente → angle contact diminue (fig. 6g), car rugosité surface membrane augmente. Relation angle contact/rugosité comprise par équation Wenzel : cos θ' = r cos θ, où r = facteur rugosité (surface réelle / surface géométrique projetée, r ≥ 1), θ' = angle contact surface rugueuse. Figures 6h–i : concentration TPU augmente → diamètre nanofibre augmente → rugosité surface augmente → angle contact diminue.

Tests transparence et reproductibilité

Autre paramètre important : transmission. Transmittance six échantillons testée figure 7a. Transmittance diminue d'abord puis augmente, correspondant concentration 6→12 puis 12→16 % pds. 6→12 % : transmittance diminue graduellement, car concentration trop faible au début (6, 8 %) → électrofilage forme difficilement fibres ; concentration augmente → plus adaptée électrofilage → plus de fibres formées ; diamètre nanofibre augmente ; membrane plus épaisse → moins lumière traverse. De plus, concentration trop faible → nombreuses perles (fig. 2a–d) défavorables à passage lumière. 12→16 % : transmittance augmente graduellement, car viscosité augmente → électrofilage plus difficile → moins nanofibres produites ; disparition fils perlés → plus lumière traverse. Transmittances : 80 %, 75 %, 60 %, 30 %, 45 %, 70 % pour TPU-6 à TPU-16. TPU-10 : efficacité filtration 99,654 % ET transmittance 60 %. Figure 7b : photo membrane TPU-10 60 % transparence. Pour filtres air transmission > 50 %, lumière suffisante traverse pour éclairage intérieur.

Considérant performance filtration long terme et haut débit air facteurs importants, nous avons recyclé membranes fibres TPU et continué tests efficacité filtration et ventilation, résultats figure 8. Figure 8a : barres d'erreur efficacité élimination combinée 10 cycles test filtration PM2,5 membrane nanofibre TPU. Après 10 passages TPU-10, efficacité filtration réduite seulement 1,6 % (99,4 → 97,8 %). Figure 8b : barres d'erreur taux aération 10 cycles test différentes concentrations. Taux ventilation change lentement, ne diminue pas significativement. Après 10 tests respiration, taux ventilation réduit seulement ~10 mm/s, indiquant effet ventilation très stable.

Conclusion

En résumé, nous utilisons une filière à billes rotatives pour l'électrofilage afin de créer un filtre à air transparent productible à grande échelle. En changeant la concentration du polymère TPU en solution, non seulement une efficacité d'élimination PM2,5 significative (99,654 %) est atteinte, mais aussi une bonne transparence optique (60 %) et un débit de ventilation (3480 mm/s). De plus, 10 cycles de tests filtration et ventilation sur le filtre TPU transparent montrent que l'efficacité filtration ne diminue que de 1,6 % et le débit ventilation change très lentement et reste substantiellement inchangé. Ces résultats indiquent que les membranes nanofibres TPU par électrofilage ont de nombreux avantages : bonne répulsion à l'eau, bonne transparence optique, haut débit ventilation, haute performance filtration, utilisables comme matériaux filtrants dans de nombreux domaines.

Disponibilité des données et matériaux

Toutes les données générées ou analysées durant cette étude sont incluses dans cet article publié.