Bakterier, virus eller giftiga ämnen sprids brett i omgivningstemperaturer, som bärs av ultrafina partiklar som PM0.3, vilket utgör ett hot mot folkhälsan. Dessutom förorenar industriella högtemperaturavgaser miljön allvarligt. Det finns ett akut behov av att utveckla filtreringsmembran som är tillämpliga på både omgivande källor som innehåller bakterier och högtemperaturkällor för människors hälsa och miljöoptimering. För närvarande möter de flesta filtreringsmembran tekniska flaskhalsar, såsom dålig filtreringshållbarhet och långsamma industrialiseringsframsteg. För att ta itu med dessa problem har teamet under ledning av akademiker Xu Weilin vid Wuhan Textile University använt centrifugalspinningsteknik. Utan behov av ett externt elektriskt fält, förvärvar polyimid spontant en polariserad molekylstruktur under spinningsprocessen, vilket genererar starka självupprätthållande elektrostatiska krafter på ytan av de formade fibermattorna. Genom in-situ-tillväxt av silvernanopartiklar tillförs antibakteriella egenskaper, vilket ger antibakteriell och långvarig filtrering. Denna teknik realiserar också bulkberedning av filtreringsmembran. Deras arbete,"Värmebeständiga luftfilter baserade på självförsörjande elektrostatiska och antibakteriella polyimid/silverfibermattor,"publicerades i Advanced Functional Materials. De första författarna till uppsatsen är Dr Lv Pei från Wuhan Textile University och Ju Zheng, en masterstudent från klassen 2023, med akademiker Xu Weilin och professor Liu Xin som motsvarande författare.

Genereringen av starka självupprätthållande elektrostatiska krafter på ytan av polyimidfibermattor tillskrivs huvudsakligen makroskopisk friktion och mikroskopisk dipolpolarisation under centrifugalspinningsprocessen. Friktionen mellan fibrer och luft, såväl som mellan fibrer, skapar ett starkt elektrostatiskt fält, vilket utlöser polariseringen av polyimidmolekyler och därigenom förstärker det elektrostatiska fältet ytterligare. På grund av den höga isoleringen och de utmärkta dielektriska egenskaperna hos polyimid är dess elektrostatiska förlust minimal, vilket bromsar förlusten av elektrostatiska ytkrafter. Jämfört med polyimidfilmer erhållna genom gjutning, finns de starka elektrostatiska krafterna endast på ytan av de centrifugalspunnna fibermattorna. Ytterligare molekylära simuleringar bekräftade de olika graderna av polarisation av polyimidmolekyler som erhållits genom centrifugalspinning och gjutningsmetoder. Vätebindningsenergin för de centrifugalspunnna fibermattorna och gjutna filmerna var 28,54 kJ/mol respektive 19,50 kJ/mol, i överensstämmelse med deras termiska stabilitet. Dessutom var den absoluta polaritetsparametern för de centrifugalspinna fibermattorna högre än den för de gjutna filmerna, vilket ytterligare bekräftar att centrifugalspinningsprocessen inducerar polarisering av polyimidmolekyler, vilket förbättrar molekylär polaritet.

Analys av morfologin och de fysikalisk-kemiska egenskaperna hos polyimid och dess silvernanopartikelkompositfibermattor visar att in-situ-tillväxtmetoden framgångsrikt fäster silvernanopartiklar till polyimidfibermattorna. Inom det termiska sönderdelningstemperaturintervallet 30-350 °C överstiger viktförlusten av polyimid/silver nanopartikelfibermattor (PI/Ag) inte 5 %; värmebeständighetstester visar att PI/Ag-fibrer bibehåller sin kontinuerliga form även efter långvarig värmebehandling vid 280 °C, utan någon signifikant förändring i fiberdiameter. Den utmärkta termiska stabiliteten hos PI/Ag gör att luftfilter baserade på detta material kan användas under långa perioder vid miljötemperaturer på 200-300 °C.

Filtreringsprestandatestet av PI/Ag visar att filtreringseffektiviteten för PM0,3 av en 260 µm tjock fibermatta är 99,1 % och för en 180 µm tjock fibermatta är den 98,1 %, med ett tryckfall reducerat till 73,67 Pa , och en genomsnittlig elektrostatisk ytspänning på -713 V. Däremot har kommersiella polyimidfibermattor endast en elektrostatisk ytspänning på -10 V, med en PM0,3-filtreringseffektivitet på 58,5%. Den ultrahöga elektrostatiska ytspänningen och 3D-nätverksstrukturen konstruerad genom centrifugalspinning förbättrar synergistiskt luftfiltreringseffektiviteten hos PI/Ag. Efter 330 dagar förblir den elektrostatiska ytspänningen för PI/Ag fortfarande över -700 V, och efter 1 timmes högtemperaturbehandling vid 280 °C förblir dess filtreringseffektivitet för PM0,3 över 91,3%. Därför kan PI/Ag säkerställa lågt tryckfall samtidigt som man uppnår långtidsfiltrering i högtemperaturmiljöer. Antibakteriella tester visar att PI/Ag uppvisar signifikant antibakteriell aktivitet mot Escherichia coli och Staphylococcus aureus. Därför kan PI/Ag som framställts i denna studie användas för luftfiltrering av rumstempererade bakteriekällor såväl som industriell högtemperaturkälla för rökgasfiltrering.

Sammanfattning: Författarna har förberett antibakteriella, högtemperaturbeständiga polyimidfibermattor med starka självupprätthållande elektrostatiska krafter med hjälp av centrifugalspinningsteknik, som, på grund av effekten av självupprätthållande elektrostatiska krafter, har en hög PM0,3-filtreringseffektivitet samtidigt som de säkerställer ett lågt tryckfall. Detta arbete ger ett nytt tillvägagångssätt för storskalig, kontinuerlig beredning av multifunktionella, effektiva luftfiltreringsfibermaterial.