Transparenter Polyurethan-Nanofaser-Luftfilter zur hocheffizienten Erfassung von PM2,5

Einführung

Feinstaub (PM) besteht aus verschiedenen festen Feinpartikeln und Tröpfchen mit bis zu Hunderten von chemischen Komponenten. PM besteht hauptsächlich aus drei chemischen Hauptsubstanzen, darunter wasserlösliche Ionen, kohlenstoffhaltige Verbindungen und andere anorganische Verbindungen [1,2,3,4,5]. PM stammt hauptsächlich aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe und Müll und ist reich an giftigen Substanzen und schädlichen Partikeln [1, 3, 4, 5, 6]. Nach der Größe des Partikeldurchmessers wird PM hauptsächlich in PM2.5 und PM10 unterteilt, was bedeutet, dass der aerodynamische Durchmesser der Partikel kleiner als 2.5 μm und 10 μm ist. PM10 bleibt in der Luft von wenigen Minuten bis zu einigen Stunden mit einer begrenzten Flugstrecke; PM2,5 hat jedoch eine lange Verweildauer in der Atmosphäre und kann von mehreren Tagen bis zu mehreren Wochen dauern [2, 5]. Selbst wenn PM2,5 zu Boden fällt, kann es leicht vom Wind zurück in die Luft geblasen werden. Durch den Atmungsprozess kann PM2,5 in den Körper gelangen und sich in der Luftröhre oder der Lunge ansammeln, was sich negativ auf die menschliche Gesundheit auswirkt [7,8,9]. PM2,5 hat auch einen großen Einfluss auf das Klima und die ökologische Umwelt, wie zum Beispiel den Niederschlagsprozess [10,11,12,13,14]. In den letzten 10 Jahren wird die Luftverschmutzung durch PM2,5 immer ernster, insbesondere in einigen Entwicklungsländern wie China und Indien [4, 15]. Im täglichen Leben treffen die Menschen in diesen Ländern oft auf schweres Dunstwetter. Aus diesem Grund ist ein gewisser Schutz gegen PM2.5 unbedingt erforderlich.

Gegenwärtig konzentrieren sich die Schutzmaßnahmen gegen die starke Trübung hauptsächlich auf den Personenschutz im Freien, wie das Tragen von professionellen Staubmasken, die die Partikelsubstanz effektiv filtern können [16, 17]. Der Personenschutz in Innenräumen, wie Lüftungssysteme und Luftreiniger, sind teuer, kompliziert zu installieren und müssen die Filterelemente ausgetauscht werden [6]. Die Innenraumluftfilter bieten aufgrund der hohen Kosten für Pumpsysteme für den aktiven Luftaustausch im Allgemeinen einen Luftschutz für gewerbliche Gebäude. In letzter Zeit sind zwei transparente Luftfilter für Wohngebäude durch passive Fensterlüftung in den Blickwinkel der Verbraucher geraten [17]. Einer ist ein poröser Membranfilter, aber die Porosität dieses Filters ist sehr gering, was bedeutet, dass eine hohe Belüftung nicht erreicht werden kann. Ein anderer ist ein Nanofaser-Luftfilter, dessen Porosität 70% erreichen und eine hohe Belüftung erreichen kann. Einige Labore haben eine Vielzahl von Fenstergittern vorbereitet, um die Qualität der Raumluft mit Nanofasern zu schützen. Chen et al. [18] berichteten über einen Luftfilter, der unter Verwendung von elektrogesponnenem TPU-Polymer hergestellt wurde; TPU-Nanofaser-Luftfilter ist sehr effektiv zum Entfernen von PM2,5 (98,92 %) mit sehr geringem Druckabfall (10 Pa). Khalidet al. [19] berichteten über ein Nanofaser-Fenstersieb, das durch Direktblastechnologie hergestellt wurde und eine gute optische Transparenz (80%) und eine hohe PM2,5-Filtrationseffizienz (99 %) aufweist. Liuet al. [6] stellten durch Elektrospinnen einen transparenten Luftfilter her, der eine hohe Belüftung und eine hohe PM2,5-Filtrationseffizienz (> 95,0%) erreichte. Diese Forschung wurde jedoch in Labors entwickelt und die Erforschung des industriellen Prozesses von Nanofaserfiltern ist wenig.

In den letzten Jahren hat die Elektrospinntechnologie aufgrund ihres geringen Energieverbrauchs, der einfachen Bedienung und der umweltfreundlichen Methoden zur Herstellung von Nanofasern große Aufmerksamkeit erregt [20, 21]. Durch Elektrospinnen hergestellte Nanofasermembranen haben eine hohe Porosität, Mikro-Nano-Kanal-Verbindungen und eine hohe spezifische Oberfläche [22,23,24,25,26,27,28,29]. Kürzlich hat unser Team einen TPU-Nanofaser-Luftfilter entwickelt, der mit einer Spinning Bead-Spinndüse in Massenproduktion hergestellt werden kann [30, 31]. Dieser Luftfilter hat eine sehr hohe thermische Stabilität, eine gute optische Transparenz von 60%, eine hohe PM2,5-Entfernungseffizienz von 99,654%, eine lange Lebensdauer, einen geringen Luftstromwiderstand (Belüftungsrate 3348 mm/s) und ein geringes Gewicht.

Experimentell

Materialien und Instrumente

Polymer-TPU wurde von Bayer Co., Ltd., Deutschland, mit Reißfestigkeit, Abriebfestigkeit und UV-Schutz bezogen; das leitfähige Netz des Substrats wird von Qingdao Junada Technology Co., Ltd., China, bereitgestellt. Die N,N -Dimethylformamid (DMF) und Aceton wurden von Tianjin Zhonghe Shengtai Chemical Co., Ltd. bereitgestellt. Rasterelektronenmikroskopie (SEM Feiner High Resolution Professional Edition Phenom Pro) wird verwendet, um die Morphologie von TPU-Fasern zu untersuchen. Ein automatischer Filtrationsleistungstester zum Bewerten der Filtrationsleistung FX3300 Lab Air-IV wurde von Shanghai Lippo Co., Ltd., China, bezogen. AFC-131 wird verwendet, um die Belüftungsrate zu testen, die von Shanghai Huifen Electronic Technology Co., Ltd. gekauft wurde. Thermo Scientific Nicolet iS5 wird verwendet, um Infrarot zu messen und die funktionellen Gruppen von TPU-Fasermembranen zu analysieren. Der optische Theta-Kontaktwinkelmesser wurde verwendet, um den Kontaktwinkel des TPU-Faserfilms zu analysieren. Die Lichtdurchlässigkeit wurde unter Verwendung eines UV1901PC-UV-Spektrophotometers bewertet und von Shanghai Aoxiang Scientific Instrument Co., Ltd., China, bezogen

Herstellung von Nanofasermembranen

Die TPU-Nanofasermembran wurde unter Verwendung der Elektrospinnausrüstung NES-1 (Qingdao Junada Technology Co., Ltd.) hergestellt, die in 1a gezeigt ist. Der Mainframe ist 2350 mm lang, 2200 mm breit, 2700 mm hoch und wiegt 1980 kg. Der Touchscreen ist eine Siemens-SPS, die Leistung beträgt 30 kV und die Spinnbreite beträgt 1,1 m. Der durchschnittliche Faserdurchmesser beträgt etwa 120 nm und das Gewicht der Nanofasermembran beträgt etwa 0,5 g pro Quadratmeter. Das Substrat ist geeignet für Zellulose, synthetische Fasern usw. und das Polymermaterial ist geeignet für TPU, PVP, PAN usw. Das Prinzip des Elektrospinns ist in Abb. 1b dargestellt, und das schematische Diagramm einer durch Elektrospinn hergestellten Nanofasermembran ist gezeigt in Abb. 1c. Die beim Elektrospinnen verwendete Lösung bestand darin, verschiedene Massen von TPU in einem gemischten Lösungsmittel in einem Verhältnis von DMF zu Aceton in einem Volumenverhältnis von 1:1 zu lösen; die Spinnspannung war positiver Druck 30 kV und negativer Hochdruck – 30 kV, was zu einem stabilen Strahl führte; die Substratbewegungsgeschwindigkeit betrug 10&supmin; m/min; und die Spinnstrecke wurde auf 200   mm eingestellt. Die Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit während dieses Prozesses wurden auf 25 °C und 50 % RH kontrolliert. Um unterschiedliche durchschnittliche Durchmesser der Nanofasern zu erhalten, wurde die Konzentration von TPU in der Lösung von 6 bis 16 Gew.-% eingestellt. Die TPU-Lösung wurde unter den gleichen Bedingungen auf ein leitfähiges Netz elektrogesponnen. Die verschiedenen Konzentrationen von TPU-Fasermembranen wurden als TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU-12, TPU-14 bzw. TPU-16 bezeichnet.

Elektrospinning-Ausrüstung. a Ein Bild des Elektrospinngeräts, das in dieser Arbeit verwendet wurde. b Schematische Darstellung des Elektrospinnaufbaus mit rotierenden Perldrahtspinndüsen. c Die Nanofasermembran in diesem Luftfilter ist eine Probe, die mit dem Elektrospinngerät hergestellt wurde

Ergebnisse und Diskussion

Charakterisierung von Morphologie und Strukturen

Einer der wichtigsten Trends bei der Membrancharakterisierung von Nanofasern ist die Morphologie der Membranoberfläche. Die Morphologie der TPU-Nanofasermembran wurde durch SEM beobachtet, und die verwendete Spannung war ein 10 kV-Scanning-Imaging-System. Wie in Abb. 2a–f gezeigt, werden die mikroskopischen Morphologien der aus der Elektrospinn-TPU-Lösung erhaltenen Nanofasermembran unter verschiedenen TPU-Konzentrationen von 6 Gew.-%, 8 Gew.-%, 10 Gew.-%, 12 Gew.-%, 14 Gew.-% und . gezeigt 16 Gew.-% bzw. Bei TPU-Konzentrationen zwischen 6 Gew.-% und 12 Gew.-% (Abb. 2a–d) gibt es viele kugelförmige Nanofasern unterschiedlicher Größe. Dies ist auf die niedrige Viskosität der Polymer-TPU-Molekülkette bei der geringen Konzentration der TPU-Lösung zurückzuführen. Daher war es beim Elektrospinnen einer TPU-Lösung mit niedriger Konzentration schwierig, dem Ausstoßen der Dehnung der elektrischen Feldkraft zu widerstehen [32]. Darüber hinaus aggregiert aufgrund der Viskoelastizität der TPU-Molekülkette der durch die elektrische Feldkraft gedehnte Ausstoß, um perlförmige Nanofasern zu bilden [33]. Mit steigender TPU-Konzentration steigt jedoch die Viskosität der Lösung, und der Elektrospinnprozess bildet Nanofasern anstelle von perlförmigen Nanofasern, sodass die perlenförmigen Nanofasern immer weniger werden und schließlich vollständig verschwinden (Abb. 2e–f). Andererseits ist die Viskosität der Lösung ein wichtiger Parameter, der den Durchmesser der Nanofaser beeinflusst [34]. Mit steigender Konzentration der TPU-Lösung nimmt auch die Viskosität der Lösung zu, sodass der Durchmesser der Nanofaser zunimmt, wie in Abb. 2a–f gezeigt. Wenn die TPU-Konzentration mehr als 14 Gew.-% beträgt, nimmt der Durchmesser der Nanofasern schnell zu (Abb. 2e–f). Der durchschnittliche Durchmesser der Nanofaser wird von NanMeasurer berechnet. Der durchschnittliche TPU-Nanofaserdurchmesser beträgt ~ 0,10 µm, ~ 0,12 µm, ~ 0,14 µm, ~ 0,17 µm, ~ 0,34 µm und ~ 1,97 µm, entsprechend TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU-12, TPU -14 und TPU-16.

REM-Aufnahmen von elektrogesponnenem TPU. a–f REM-Bilder und Durchmesserverteilungen mit TPU-Konzentrationen von 6 Gew.%, 8 Gew.%, 10 Gew.%, 12 Gew.%, 14 Gew.% bzw. 16 Gew.%

Fourier-Transformations-Infrarot-Spektrumanalyse

Um die Zusammensetzung der hergestellten TPU-Nanofasermembran zu identifizieren, ist es notwendig, eine Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR)-Analyse der Probe durchzuführen. Zuerst das Gerät anderthalb Stunden vorheizen, der Druck wird auf 15 MPa geregelt, die Arbeitsspannung beträgt 220 V, die Umgebungstemperatur wird auf 20 °C geregelt, die Umgebungsfeuchtigkeit wird auf 40 % geregelt, die Frequenz beträgt 50 Hz, und der Strom beträgt 7,5 A. Die Testergebnisse sind wie in Fig. 3 gezeigt, die offensichtlich dem Infrarotspektrum des Substrats Polyurethan entspricht. Das Spektrum ist in Abb. 3 dargestellt. Bei den Wellenzahlen 3330,18 cm ^-1 . wurden starke Absorptionspeaks beobachtet , 2960,51 cm ^-1 , und 1215,86 cm ^-1 , was auf das Vorhandensein von N–H- und C–H-funktionellen Gruppen hinweist. Die Oberfläche der TPU-Nanofaser weist hydrophobe funktionelle Gruppen auf und die Oberfläche der Fasermembran ist glatt und dicht. Der vorbereitete transparente Luftfilter hat also eine gewisse hydrophobe Funktion. Aufgrund der hydrophoben Natur der TPU-Fasermembran kann der transparente TPU-Luftfilter an regnerischen Tagen das Fenster öffnen.

Zusammensetzung der TPU-Nanofasermembran. FTIR-Demonstration von TPU, die das Vorhandensein verschiedener funktioneller Gruppen anzeigt

Analyse der Filtereffizienz

Die Abscheideleistung ist der wichtigste Parameter zur Bewertung von transparenten Luftfiltern. Der Filtrationseffizienztest wurde an verschiedenen TPU-Fasermembranen durchgeführt. In dieser Studie waren die Testbedingungen die gleichen, die Temperatur betrug 20 °C, die relative Luftfeuchtigkeit betrug 40,6 %, die Durchflussmenge beträgt 2,0 m ³ /h, und PM-Schadstoffe sind Aerosolpartikel. Die Größenverteilung von PM und die Filtrationswirkung jeder Probe sind in Abb. 4a dargestellt. Die Filtrationseffizienz korreliert positiv mit der PM-Partikelgröße. Bei gleicher Größe von PM-Partikeln wie PM2,5 (Abb. 4b) wird mit einer Erhöhung der TPU-Konzentration von 6  auf 12 wt% die Abscheideleistung deutlich erhöht, was darauf zurückzuführen ist, dass die Membran durch Nanofasern mit größerem Durchmesser sind besser gegen resistente PM-Partikel. Wenn die TPU-Konzentration jedoch von 12 auf 16 Gew.-% ansteigt, führt die Zunahme des Faserabstands und das Verschwinden der Wulststrangfasern zu einer signifikanten Abnahme der Entfernungseffizienz der TPU-Fasermembran [18]. Die Erhöhung der Konzentration der Lösung erschwert und verlangsamt die Elongation des Elektrospinnstrahls, was zu einer Erhöhung der Porengröße der TPU-Fasermembran führt. Abbildung 4c–e zeigt den Durchgang von Partikeln durch Fasermembranen mit unterschiedlichen Durchmessern. Der größere Faserdurchmesser verhindert effektiv, dass die PM durch die Fasermembran hindurchtreten, und wenn die TPU-Konzentration größer wird, wird der Faserdurchmesser größer, aber auch der Abstand zwischen den Phasenfasern wird größer, was zu einer Abnahme der Filtrationseffizienz führt. Die höchste Entfernungseffizienz von PM2,5 ist TPU-12. Wenn der Partikeldurchmesser ≥ . beträgt 0,525 μm, die Entfernungseffizienz beträgt 100 % und der Druckabfall beträgt nur 10 Pa. Darüber hinaus beträgt die Entfernungseffizienz von TPU-10 auf PM2,5 99,654 %.

Bewertung der Filtrationseffizienz von TPU-Fasermembranen. a Entfernen Sie die Effizienz von PM unterschiedlicher Größe mit TPU-Konzentrationen von 6 Gew.-%, 8 Gew.-%, 10 Gew.-%, 12 Gew.-%, 14 Gew.-% bzw. 16 Gew.-%. b PM2,5-Entfernungseffizienz verschiedener Konzentrationen von TPU-Fasermembranen. c –e PM durch Fasermembranen mit unterschiedlichen Durchmessern

Beatmungsratenanalyse

Die Aufrechterhaltung einer hohen Belüftung ist eine wichtige Eigenschaft, um die Leistung des Luftfilters zu bewerten. Sechs Proben wurden unter den gleichen Bedingungen auf die Belüftungsrate getestet. Der Messbereich betrug 20 cm ² . und der Messdruck betrug 200 Pa. Die Belüftungsrate verschiedener Konzentrationen von TPU-Nanofasermembranen ist in Abb. 5a gezeigt, und der entsprechende Druckabfall beträgt 6 Pa, 15 Pa, 12 Pa, 10 Pa, 7 Pa und 9 Pa. Die Belüftungsrate verschiedener TPU-Membranen beginnt zuerst zu sinken, nimmt dann weiter zu und fällt zuletzt leicht ab, entsprechend der Konzentration der Lösung von 6 auf 8 Gew.-%, 8 auf 14 Gew.-% und 14 auf 16 Gew.-%. Es gibt zwei Hauptgründe für die Beeinflussung der Belüftungsrate:die Packungsdichte der Nanofasern und der durchschnittliche Faserdurchmesser [34]. Die Packungsdichte der Nanofasern wird wie folgt berechnet:

Bewertung der Belüftungsrate einer TPU-Fasermembran. a Belüftungsrate verschiedener Konzentrationen von TPU-Fasermembranen. b –e Luft strömt durch Fasern mit unterschiedlichen Durchmessern

Hier, α ist die Packungsdichte der Nanofasern, W ist das Flächengewicht der Nanofasermembran, ρ _f ist die Dichte des Nanomaterials und Z ist die Dicke des Nanofaserfilms. Die Belüftungsrate beginnt zu sinken, hauptsächlich aufgrund der Zugabe von TPU-Nanofasern mit mittleren Durchmessern (Abb. 5b, c). Wenn die Konzentration von TPU von 8 auf 14 Gew.-% ansteigt, führt eine Verringerung der Packungsdichte der Nanofasern zu einer Vergrößerung des Abstands zwischen den Nanofasern, was der Belüftungsrate zugute kommt, obwohl der Durchmesser der Nanofasern erhöht wird (Abb. 5d). Wenn die Nanofasermembran aus einer Lösung mit einer TPU-Konzentration von 14 bis 16 Gew.-% besteht, spielt der Nanofaserdurchmesser eine entscheidende Rolle für die Belüftungsrate und die damit verbundene Belüftungsrate sinkt leicht (Abb. 5e). Wenn die TPU-Konzentration auf 10 wt% ansteigt, beträgt die Belüftungsrate bis zu 3480 mm/s, eine so hohe Belüftungsrate entspricht einem leeren Bildschirm ohne Nanofasermembran.

Kontaktwinkelanalyse

Die Hydrophobie ist ein wichtiger Parameter zur Bewertung der Leistung von Luftfiltern, und die Benetzbarkeit der erhaltenen TPU-Fasermembran wurde durch DSA unter Verwendung eines 5-μl-Tröpfchens gemessen. Die Ergebnisse sind in Abb. 6a–f dargestellt, die Kontaktwinkel betragen 138,6°, 133,4°, 128,5°, 122,8°, 112,7° und 107,7°, entsprechend TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU- 12, TPU-14 und TPU-16. Der Kontaktwinkel aller Proben war größer als 90°, was darauf hindeutet, dass der mit Polymer TPU hergestellte transparente Luftfilter aufgrund der hydrophoben funktionellen Gruppen auf der Oberfläche der TPU-Nanofasermembran stark hydrophob ist, der kleine Faserdurchmesser führt zu einer glatten Membranoberfläche und Fasermembran dichte Struktur. Wenn jedoch die Konzentration von TPU größer wird, wird der Kontaktwinkel kleiner und kleiner ( 6g ), da die Rauhigkeit der Oberfläche der Fasermembran größer wird. Die Beziehung zwischen Kontaktwinkel und Oberflächenrauheit einer Nanofasermembran kann durch die Wenzel-Gleichung verstanden werden, die wie folgt definiert ist:

Charakterisierung des Kontaktwinkels von TPU-Fasermembranen. a–f Prüfung des Kontaktwinkels verschiedener Konzentrationen von TPU-Fasermembranen mit 5-μL-Tröpfchen. g Kontaktwinkel verschiedener Konzentrationen der TPU-Fasermembran. h –ich Tröpfchen auf der Oberfläche von Fasern mit unterschiedlichen Durchmessern.

Hier, r ist der Oberflächenrauheitsfaktor, d. h. das Verhältnis der tatsächlichen Fläche der Oberfläche zur geometrisch projizierten Fläche ( r 1), θ ^′ ist der Kontaktwinkel der rauen Oberfläche. Wie in Abb. 6h–i gezeigt, nimmt mit steigender TPU-Konzentration der Durchmesser der TPU-Nanofaser zu und die Rauhigkeit der Oberfläche der Nanofasermembran zu, was zu einem immer geringeren Kontaktwinkel führt.

Transparenz- und Reproduzierbarkeitstests

Ein weiterer wichtiger Parameter des transparenten Luftfilters ist die Transmission; die Durchlässigkeit der sechs Proben wurde getestet und die Ergebnisse sind in Fig. 7a gezeigt. Es wurde festgestellt, dass die Durchlässigkeit zunächst weiter abnahm und dann zunahm, entsprechend der Zunahme der TPU-Konzentration von 6 auf 12 Gew.-% und 12 auf 16 Gew.-%. Wenn die TPU-Konzentration 6 bis 12 Gew.-% beträgt, wird die Durchlässigkeit der Fasermembran allmählich verringert, hauptsächlich weil die Lösungskonzentration am Anfang zu niedrig ist (wie 6 Gew.-% und 8 Gew.-%) und der Elektrospinnprozess dies nicht tut nicht leicht Fasern bilden. Wenn die Konzentration der Lösung ansteigt, ist die Lösungskonzentration für das Elektrospinnen besser geeignet, so dass durch das Elektrospinnen immer mehr Fasern gebildet werden. Auch der Nanofaserdurchmesser wird größer und die Fasermembran wird immer dicker, sodass weniger Licht durch die Fasermembran gelangen kann. Da die Konzentration der Lösung andererseits zu gering ist, bildet sich beim Elektrospinnen eine große Anzahl von Kügelchen (Abb. 2a–d), die den Lichtdurchtritt durch die Fasermembran erschweren. Wenn die Lösungskonzentration 12 bis 16 Gew.-% beträgt, nimmt die Durchlässigkeit der Fasermembran allmählich zu, hauptsächlich weil die Viskosität der Lösung zunimmt, und der Elektrospinnprozess wird allmählich schwierig, so dass weniger Nanofasern hergestellt werden. Ein weiterer Grund ist, dass mit zunehmender Konzentration der Lösung die Perlenschnur verschwindet und mehr Licht dazu beiträgt, die Fasermembran zu passieren. Transmissionen von 80 %, 75 %, 60 %, 30 %, 45 % und 70 %, entsprechend TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU-12, TPU-14 und TPU-16. Die TPU-10 haben nicht nur eine Filtrationseffizienz von 99,654% und die Transmissionsrate liegt bei bis zu 60%. Abbildung 7b zeigt das Foto der TPU-10-Nanofasermembran mit 60 % Transmission. Bei Luftfiltern mit einer Transmission von mehr als 50 % kann ausreichend Licht durch den Raum geleitet werden, um die Anforderungen an die Innenbeleuchtung zu erfüllen.

Transmissionseigenschaften der TPU-Fasermembran. a Transmission verschiedener Konzentrationen der TPU-Fasermembran. b Fotos der TPU-Konzentration von 10  Gew.-% transparenten Luftfiltern bei 60 % Transparenz

Da die langfristige Filtrationsleistung und der hohe Luftdurchsatz wichtige Faktoren bei Luftfiltern sind, haben wir TPU-Fasermembranen recycelt und weiterhin die Filtrationseffizienz und Belüftungsrate getestet. Die Ergebnisse sind in Abb. 8 dargestellt. Abbildung 8a zeigt Fehlerbalken für kombinierte Entfernungseffizienz von 10  Zyklen des Testens der PM2,5-Filtration der TPU-Nanofasermembran. Nach 10 Durchgängen der TPU-10-Filtration war die Filtrationseffizienz nur um 1,6 % reduziert (von 99,4 auf 97,8 %). Darüber hinaus sind in Abb. 8b Fehlerbalken für die Belüftungsraten der 10 Testzyklen für Fasermembranen unterschiedlicher TPU-Konzentration dargestellt. Die Beatmungsrate änderte sich langsam und nahm nicht signifikant ab. Nach zehn Atemtests wurde die Beatmungsrate nur um ca. 10 mm/s reduziert, was darauf hindeutet, dass die Beatmungswirkung sehr stabil ist.

Reproduzierbarkeit der Belüftungsrate und Abscheideleistung der Faserverbundmembran. a Reproduzierbarkeit der Abtragsleistung. b Reproduzierbarkeit der Beatmungsrate

Schlussfolgerung

Zusammenfassend verwenden wir eine rotierende Perlspinndüse für das Elektrospinnen, um einen transparenten Luftfilter zu schaffen, der in großem Maßstab hergestellt werden kann. Durch Änderung der Konzentration des TPU-Polymers in der Lösung wird nicht nur eine signifikante PM2,5-Entfernungseffizienz (99,654%) erreicht, sondern auch eine gute optische Transparenz (60%) und eine Belüftungsrate (3480 mm/s) erreicht. Darüber hinaus zeigten die Ergebnisse bei der Durchführung von 10  Zyklen von Filtrations- und Gasentlüftungstests am transparenten TPU-Luftfilter, dass die Filtrationseffizienz nur um 1,6 % reduziert wurde und die Belüftungsrate sehr langsam geändert wurde und im Wesentlichen unverändert blieb. Diese Ergebnisse zeigen, dass durch Elektrospinnen hergestellte TPU-Nanofasermembranen viele Vorteile wie gute Wasserabweisung, gute optische Transparenz, hohe Belüftungsrate und hohe Filtrationsleistung aufweisen, die in vielen Bereichen als Filtermaterialien verwendet werden können.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.