Transparenter Polyurethan-Nanofasernfilter: Ultra-effiziente PM2,5-Abscheidung für sauberere Luft

Zusammenfassung

Feinstaub (PM) hat das menschliche Leben ernsthaft beeinträchtigt, indem er die menschliche Gesundheit, das Klima und die ökologische Umwelt beeinflusst. In jüngster Zeit nutzen viele Forscher Elektrospinnen zur Herstellung von Nanofasern-Luftfiltern zur effektiven Entfernung von Feinstaub. Allerdings wird das gleichmäßige Elektrospinnen von Polymerfasern auf Fenstergitter bisher nur im Labor erreicht, und die industrielle Umsetzung ist noch sehr herausfordernd. Hier berichten wir über eine Elektrospinnmethode mit rotierendem Perlen-Spinneret für großflächiges Elektrospinnen von thermoplastischem Polyurethan (TPU) auf leitfähigem Gitter mit hoher Produktivität von 1000 m²/Tag. Durch Variation der TPU-Konzentration in der Polymerlösung kann die PM2,5-Entfernungseffizienz des nanofaserbasierten Luftfilters bis zu 99,654 % bei guter optischer Transparenz von 60 % erreichen. Der Kontaktwinkel und die Ventilationsrate des nanofaserbasierten Luftfilters betragen 128,5° bzw. 3480 mm/s. Nach 10 Filtrationszyklen sinkt die Entfernungseffizienz nur um 1,6 %. Dieser transparente Luftfilter auf Basis von TPU-Nanofasern weist hervorragende Filtrationseffizienz und Ventilationsrate auf, was die Innenraumluftqualität von Wohngebäuden effektiv sicherstellen kann.

Einleitung

Feinstaub (PM) besteht aus verschiedenen festen Feinpartikeln und Tröpfchen mit bis zu hunderten chemischen Komponenten. PM setzt sich hauptsächlich aus drei Hauptchemikalien zusammen: wasserlöslichen Ionen, kohlenstoffhaltigen Verbindungen und anderen anorganischen Verbindungen. PM stammt hauptsächlich aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe und Müll und ist reich an giftigen Substanzen und schädlichem Feinstaub. Je nach Partikeldurchmesser wird PM hauptsächlich in PM2,5 und PM10 unterteilt, was bedeutet, dass der aerodynamische Durchmesser der Partikel kleiner als 2,5 μm bzw. 10 μm ist. PM10 verbleibt einige Minuten bis Stunden in der Luft mit begrenzter Transportdistanz; PM2,5 hingegen hat eine lange Verweilzeit in der Atmosphäre und kann mehrere Tage bis Wochen andauern. Selbst wenn PM2,5 zu Boden fällt, wird es leicht vom Wind wieder in die Luft geweht. Durch den Atemprozess kann PM2,5 in den Körper gelangen und sich in der Luftröhre oder der Lunge anreichern, was die menschliche Gesundheit negativ beeinflusst. PM2,5 hat auch großen Einfluss auf Klima und ökologische Umwelt, z. B. auf den Niederschlagsprozess. In den letzten 10 Jahren wird die PM2,5-Luftverschmutzung immer ernster, besonders in Entwicklungsländern wie China und Indien. Im täglichen Leben begegnen Menschen in diesen Ländern oft schwerem Smog. Aus diesem Grund ist es sehr notwendig, Schutzmaßnahmen gegen PM2,5 zu ergreifen.

Derzeit konzentrieren sich Schutzmaßnahmen gegen schweren Smog hauptsächlich auf den persönlichen Außenschutz, wie das Tragen professioneller Staubmasken, die Partikel effektiv filtern können. Der persönliche Innenschutz, wie Lüftungssysteme und Luftreiniger, ist teuer, kompliziert zu installieren und erfordert den Austausch der Filterelemente. Innenraumluftfilter bieten generell Luftschutz für Gewerbegebäude, aufgrund der hohen Kosten von Pumpensystemen für aktiven Luftaustausch. Kürzlich sind zwei transparente Luftfilter für Wohngebäude durch passive Fensterlüftung in den Fokus der Verbraucher gerückt. Einer ist ein poröser Membranfilter, dessen Porosität jedoch sehr gering ist, sodass keine hohe Ventilation erreicht werden kann. Der andere ist ein Nanofasern-Luftfilter, dessen Porosität 70 % erreichen kann und hohe Ventilation ermöglicht. Einige Labore haben verschiedene Fenstergitter zum Schutz der Innenraumluftqualität mit Nanofasern hergestellt. Zum Beispiel berichteten Chen et al. über einen Luftfilter aus elektrogesponnenem TPU-Polymer; der TPU-Nanofasern-Luftfilter ist sehr effektiv bei der PM2,5-Entfernung (98,92 %) bei sehr niedrigem Druckverlust (10 Pa). Khalid et al. berichteten über ein Nanofasern-Fenstergitter, hergestellt mit Direktblas-Technologie, mit guter optischer Transparenz (80 %) und hoher PM2,5-Filtrationseffizienz (99 %). Liu et al. bereiteten einen transparenten Luftfilter durch Elektrospinnen vor, der hohe Ventilation und hohe PM2,5-Filtrationseffizienz (> 95,0 %) erreichte. Diese Forschung wurde jedoch im Labor entwickelt, und die Forschung zum industriellen Prozess von Nanofasern-Filtern ist gering.

In den letzten Jahren hat die Elektrospinn-Technologie aufgrund ihres geringen Energieverbrauchs, einfacher Bedienung und umweltfreundlicher Methoden zur Herstellung von Nanofasern große Aufmerksamkeit erhalten. Nanofasern-Membranen, die durch Elektrospinnen hergestellt werden, weisen hohe Porosität, mikrokapillare Vernetzung und hohe spezifische Oberfläche auf. Kürzlich hat unser Team einen TPU-Nanofasern-Luftfilter entwickelt, der mit einem rotierenden Perlen-Spinneret massenproduziert werden kann. Dieser Luftfilter besitzt sehr hohe thermische Stabilität, gute optische Transparenz von 60 %, hohe PM2,5-Entfernungseffizienz von 99,654 %, lange Lebensdauer, niedrigen Luftwiderstand (Ventilationsrate 3348 mm/s) und geringes Gewicht.

Experimentell

Materialien und Geräte

Polymer TPU wurde von der Bayer Co., Ltd., Deutschland, bezogen, mit Reißfestigkeit, Abriebfestigkeit und UV-Schutz; das Substrat leitfähige Gitter wird von Qingdao Junada Technology Co., Ltd., China, bereitgestellt. N,N-Dimethylformamid (DMF) und Aceton wurden von der Tianjin Zhonghe Shengtai Chemical Co., Ltd. geliefert. Rasterelektronenmikroskopie (SEM Feiner High Resolution Professional Edition Phenom Pro) wird zur Untersuchung der Morphologie der TPU-Fasern verwendet. Ein automatischer Filtrationsleistungstester FX3300 Lab Air-IV wurde von Shanghai Lippo Co., Ltd., China, erworben. AFC-131 wird zur Prüfung der Ventilationsrate von Shanghai Huifen Electronic Technology Co., Ltd. bezogen. Thermo Scientific Nicolet iS5 wird zur Messung von Infrarot und Analyse der Funktionsgruppen der TPU-Fasermembranen verwendet. Theta optisches Kontaktwinkelmessgerät wurde zur Analyse des Kontaktwinkels des TPU-Fasernfilms eingesetzt. Die Lichtdurchlässigkeit wurde mit einem UV1901PC UV-Spektrophotometer bewertet, bezogen von Shanghai Aoxiang Scientific Instrument Co., Ltd., China.

Herstellung von Nanofasern-Membranen

Die TPU-Nanofasern-Membran wurde mit Elektrospinn-Gerät NES-1 (Qingdao Junada Technology Co., Ltd.) hergestellt, das in Abb. 1a dargestellt ist. Der Hauptrahmen ist 2350 mm lang, 2200 mm breit, 2700 mm hoch und wiegt 1980 kg. Der Touchscreen ist Siemens PLC, die Spannung 30 kV, und die Spinnbreite 1,1 m. Der durchschnittliche Faserdurchmesser beträgt ca. 120 nm, und das Gewicht der Nanofasern-Membran beträgt ca. 0,5 g pro Quadratmeter. Das Substrat eignet sich für Zellulose, Synthetikfasern etc., und das Polymermaterial für TPU, PVP, PAN etc. Das Elektrospinn-Prinzip ist in Abb. 1b dargestellt, und das schematische Diagramm einer durch Elektrospinnen hergestellten Nanofasern-Membran in Abb. 1c. Die im Elektrospinnen verwendete Lösung bestand darin, unterschiedliche Massen von TPU in einem gemischten Lösungsmittel im Volumenverhältnis von DMF zu Aceton 1:1 aufzulösen; die Spinnspannung betrug positiver Druck 30 kV und negativer Hochdruck −30 kV, was einen stabilen Strahl ergab; die Substratbewegungsgeschwindigkeit war 10 m/min; und der Spinnabstand wurde auf 200 mm kontrolliert. Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit wurden während des Prozesses auf 25 °C und 50 % RH kontrolliert. Um unterschiedliche durchschnittliche Durchmesser der Nanofasern zu erhalten, wurde die TPU-Konzentration in der Lösung von 6 auf 16 Gew.-% eingestellt. Die TPU-Lösung wurde unter gleichen Bedingungen auf leitfähiges Gitter elektrogesponnen. Die unterschiedlichen Konzentrationen der TPU-Fasermembranen wurden als TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU-12, TPU-14 und TPU-16 bezeichnet.

Ergebnisse und Diskussion

Charakterisierung von Morphologie und Struktur

Ein wichtiger Trend in der Membrancharakterisierung von Nanofasern ist die Morphologie der Membranoberfläche. Die Morphologie der TPU-Nanofasern-Membran wurde per SEM bei 10 kV Spannung beobachtet. Wie in Abb. 2a–f gezeigt, werden die mikroskopischen Morphologien der durch Elektrospinnen der TPU-Lösung erhaltenen Nanofasern-Membran unter verschiedenen TPU-Konzentrationen von 6, 8, 10, 12, 14 und 16 Gew.-% dargestellt. Bei TPU-Konzentrationen zwischen 6 und 12 Gew.-% (Abb. 2a–d) gibt es viele perlenartige Nanofasern unterschiedlicher Größe. Dies kann auf die niedrige Viskosität der Polymer-TPU-Molekülkette bei niedriger TPU-Lösungskonzentration zurückgeführt werden. Daher war die Ausstoßung im Prozess des Elektrospinnens niedrigkonzentrierter TPU-Lösung schwer, der Dehnung durch die elektrische Feldkraft zu widerstehen. Zusätzlich führt die Viskosität der TPU-Molekülkette dazu, dass der durch die elektrische Feldkraft gedehnte Strahl aggregiert und perlenartige Nanofasern bildet. Mit zunehmender TPU-Konzentration steigt die Viskosität der Lösung, und der Elektrospinnprozess bildet Nanofasern statt perlenartiger Nanofasern, sodass die perlenartigen 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. Wenn die Konzentration der TPU-Lösung steigt, steigt auch die Viskosität der Lösung, sodass der Durchmesser der Nanofaser zunimmt (Abb. 2a–f). Wenn die TPU-Konzentration höher als 14 Gew.-% ist, steigt der Durchmesser der Nanofasern rapide an (Abb. 2e–f). Der durchschnittliche Durchmesser der Nanofaser wird mit 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.

Fourier-Transform-Infrarotspektren-Analyse

Um die Zusammensetzung der hergestellten TPU-Nanofasern-Membran zu identifizieren, wurde eine Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) an der Probe durchgeführt. Zunächst wurde das Gerät eineinhalb Stunden vorgeheizt, der Druck auf 15 MPa kontrolliert, die Betriebsspannung 220 V, die Umgebungsemperatur 20 °C, die Umgebungsfeuchtigkeit 40 %, die Frequenz 50 Hz und der Strom 7,5 A. Die Testergebnisse sind in Abb. 3 dargestellt, die offensichtlich dem Infrarotspektrum des Substrat-Polyurethans entsprechen. Das Spektrum zeigt starke Absorptionspeaks bei Wellenzahlen 3330,18 cm⁻¹, 2960,51 cm⁻¹ und 1215,86 cm⁻¹, was das Vorhandensein von N–H- und C–H-Funktionsgruppen anzeigt. Die Oberfläche der TPU-Nanofaser hat hydrophobe Funktionsgruppen, und die Oberfläche des Fasernfilms ist glatt und dicht. Daher hat der hergestellte transparente Luftfilter eine gewisse hydrophobe Funktion. Aufgrund der hydrophoben Natur der TPU-Fasermembran kann der TPU-transparente Luftfilter an regnerischen Tagen das Fenster öffnen.

Filtrationseffizienz-Analyse

Filtrationseffizienz ist der wichtigste Parameter zur Bewertung transparenter Luftfilter. Der Filtrationseffizienz-Test wurde an verschiedenen TPU-Fasermembranen durchgeführt. In dieser Studie waren die Testbedingungen identisch: Temperatur 20 °C, relative Luftfeuchtigkeit 40,6 %, Volumenstrom 2,0 m³/h, und PM-Schadstoffe sind Aerosolpartikel. Die Größenverteilung von PM und der Filtrationseffekt jedes Proben sind in Abb. 4a dargestellt. Die Filtrationseffizienz korreliert positiv mit der PM-Partikelgröße. Für dieselbe PM-Partikelgröße, wie PM2,5 (Abb. 4b), steigt die Entfernungseffizienz signifikant, wenn die TPU-Konzentration von 6 auf 12 Gew.-% zunimmt, was darauf zurückzuführen ist, dass die Membran, die aus Nanofasern mit größerem Durchmesser gewebt ist, PM-Partikel besser widersteht. Wenn die TPU-Konzentration jedoch von 12 auf 16 Gew.-% steigt, führt die Zunahme des Abstands zwischen den Fasern und das Verschwinden der Perlenkettenfasern zu einer signifikanten Abnahme der Entfernungseffizienz der TPU-Fasermembran. Die Erhöhung der Lösungskonzentration erschwert und verlangsamt die Dehnung des Elektrospinnstrahls, was zu einer Zunahme der Porengröße der TPU-Fasermembran führt. Abb. 4c–e zeigen den Durchgang von Partikeln durch Fasermembranen unterschiedlicher Durchmesser. Der größere Faserdurchmesser verhindert effektiv den Durchgang von PM durch die Fasermembran, und mit steigender TPU-Konzentration wird der Faserdurchmesser größer, aber der Abstand zwischen den Phasenfasern wird ebenfalls größer, was zu einer Abnahme der Filtrationseffizienz führt. Die höchste PM2,5-Entfernungseffizienz weist TPU-12 auf. Wenn der Partikeldurchmesser ≥ 0,525 μm beträgt, erreicht die Entfernungseffizienz 100 %, und der Druckverlust beträgt nur 10 Pa. Zusätzlich beträgt die PM2,5-Entfernungseffizienz von TPU-10 99,654 %.

Ventilationsrate-Analyse

Die Aufrechterhaltung hoher Ventilation ist eine wichtige Eigenschaft zur Bewertung der Luftfilterleistung. Sechs Proben wurden unter gleichen Bedingungen auf Ventilationsrate getestet. Die Messfläche betrug 20 cm² und der Messdruck 200 Pa. Die Ventilationsrate verschiedener TPU-Nanofasern-Membranen ist in Abb. 5a dargestellt, und der entsprechende Druckabfall beträgt 6 Pa, 15 Pa, 12 Pa, 10 Pa, 7 Pa und 9 Pa. Die Ventilationsrate verschiedener TPU-Membranen fällt zunächst, steigt dann an und fällt zuletzt leicht, entsprechend der Erhöhung der Lösungskonzentration von 6 auf 8 Gew.-%, 8 auf 14 Gew.-% und 14 auf 16 Gew.-%. Es gibt zwei Hauptgründe, die die Ventilationsrate beeinflussen: Nanofasern-Packungsdichte und durchschnittlicher Faserdurchmesser. Die Nanofasern-Packungsdichte wird wie folgt berechnet:

$$ \alpha =\frac{W}{\rho_f Z} $$ (1)

Hier ist α die Nanofasern-Packungsdichte, W das Flächengewicht der Nanofasern-Membran, ρ_f die Dichte des Nanomaterials, und Z die Nanofasern-Filmdicke. Der initiale Rückgang der Ventilationsrate ist hauptsächlich auf die Zunahme der durchschnittlichen TPU-Nanofaserdurchmesser zurückzuführen (Abb. 5b, c). Wenn die TPU-Konzentration von 8 auf 14 Gew.-% steigt, führt die Abnahme der Packungsdichte der Nanofasern zu einer Zunahme des Abstands zwischen den Nanofasern, was der Ventilationsrate zugutekommt, obwohl der Durchmesser der Nanofasern zunimmt (Abb. 5d). Wenn die Nanofasern-Membran aus einer Lösung mit TPU-Konzentration von 14 auf 16 Gew.-% hergestellt wird, spielt der Nanofaserdurchmesser eine entscheidende Rolle für die Ventilationsrate, und die zugehörige Ventilationsrate fällt leicht (Abb. 5e). Bei einer TPU-Konzentration von 10 Gew.-% erreicht die Ventilationsrate 3480 mm/s, was einem leeren Gitter ohne Nanofasern-Membran entspricht.

Kontaktwinkel-Analyse

Hydrophobizität ist ein wichtiger Parameter zur Bewertung der Luftfilterleistung, und die Benetzbarkeit der erhaltenen TPU-Fasermembran wurde mit DSA mittels eines 5-μL-Tropfens 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 zeigt, dass der mit Polymer TPU hergestellte transparente Luftfilter aufgrund der hydrophoben Funktionsgruppen auf der Oberfläche der TPU-Nanofasern-Membran, des kleinen Faserdurchmessers, der zu glatter Membranoberfläche und dichter Fasermembranstruktur führt, hoch hydrophob ist. Allerdings wird der Kontaktwinkel mit zunehmender TPU-Konzentration immer niedriger (Abb. 6g), weil die Rauheit der Fasermembranoberfläche zunimmt. Der Zusammenhang zwischen Kontaktwinkel und Oberflächenrauheit der Nanofasern-Membran kann durch die Wenzel-Gleichung verstanden werden, die wie folgt definiert ist:

$$ \cos \theta '=r\cos \theta $$ (2)

Hier ist r der Oberflächenrauheitsfaktor, der das Verhältnis der tatsächlichen Oberfläche zur geometrischen projizierten Fläche darstellt (r ≥ 1), θ^′ der Kontaktwinkel der rauen Oberfläche. Wie in Abb. 6h–i gezeigt, nimmt mit steigender TPU-Konzentration der Durchmesser der TPU-Nanofaser zu, und die erhöhte Rauheit der Nanofasern-Membranoberfläche führt zu einem zunehmend niedrigeren Kontaktwinkel.

Transparenz- und Reproduzierbarkeitsprüfung

Ein weiterer wichtiger Parameter des transparenten Luftfilters ist die Transmission; die Durchlässigkeit der sechs Proben wurde getestet, und die Ergebnisse sind in Abb. 7a dargestellt. Es zeigte sich, dass die Durchlässigkeit zunächst abnahm und dann zunahm, entsprechend der Erhöhung der TPU-Konzentration von 6 auf 12 Gew.-% und 12 auf 16 Gew.-%. Wenn die TPU-Konzentration von 6 auf 12 Gew.-% steigt, wird die Durchlässigkeit der Fasermembran allmählich reduziert, hauptsächlich weil die Lösungskonzentration am Anfang zu niedrig ist (z. B. 6 und 8 Gew.-%), und der Elektrospinnprozess nicht leicht Fasern bildet. Wenn die Lösungskonzentration steigt, wird sie geeigneter für Elektrospinnen, sodass immer mehr Fasern gebildet werden. Der Nanofaserdurchmesser wird auch größer, und die Fasermembran wird dicker, sodass weniger Licht hindurchdringen kann. Andererseits bildet der Elektrospinnprozess bei zu niedriger Lösungskonzentration eine große Anzahl von Perlen (Abb. 2a–d), was für die Lichtdurchlässigkeit nachteilig ist. Wenn die Lösungskonzentration von 12 auf 16 Gew.-% steigt, nimmt die Durchlässigkeit der Fasermembran allmählich zu, hauptsächlich weil die Viskosität der Lösung zunimmt und der Elektrospinnprozess allmählich schwieriger wird, sodass weniger Nanofasern produziert werden. Ein weiterer Grund ist, dass mit steigender Lösungskonzentration die Perlenketten verschwinden, was mehr Lichtdurchlässigkeit ermöglicht. Die Durchlässigkeiten betragen 80 %, 75 %, 60 %, 30 %, 45 % und 70 %, entsprechend TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU-12, TPU-14 und TPU-16. TPU-10 weist nicht nur eine Filtrationseffizienz von 99,654 % auf, sondern auch eine Transmissionsrate von 60 %. Abb. 7b zeigt das Foto der TPU-10-Nanofasern-Membran mit 60 % Transparenz. Für Luftfilter mit einer Transmission von mehr als 50 % kann ausreichend Licht durch den Raum hindurchtreten, um die Innenbeleuchtungsanforderungen zu erfüllen.

In Anbetracht der Tatsache, dass langfristige Filtrationsleistung und hohe Luftströmung wichtige Faktoren bei Luftfiltern sind, haben wir TPU-Fasermembranen recycelt und weiterhin Filtrationseffizienz und Ventilationsrate getestet; die Ergebnisse sind in Abb. 8 dargestellt. Abb. 8a zeigt Fehlerbalken für die kombinierte Entfernungseffizienz von 10 Zyklen der PM2,5-Filtration der TPU-Nanofasern-Membran. Nach 10 Durchgängen der TPU-10-Filtration sank die Filtrationseffizienz nur um 1,6 % (von 99,4 auf 97,8 %). Zusätzlich zeigen Fehlerbalken für die Belüftungsraten der 10 Testzyklen für verschiedene TPU-Konzentrations-Fasermembranen in Abb. 8b. Die Ventilationsrate änderte sich langsam und nicht signifikant. Nach zehn Atemtests sank die Ventilationsrate nur um ca. 10 mm/s, was zeigt, dass der Ventilationseffekt sehr stabil ist.

Fazit

Zusammenfassend verwenden wir ein rotierendes Perlen-Spinneret für Elektrospinnen, um einen transparenten Luftfilter herzustellen, der in großem Maßstab produziert werden kann. Durch Variation der TPU-Polymkonzentration in der Lösung werden nicht nur signifikante PM2,5-Entfernungseffizienz (99,654 %), sondern auch gute optische Transparenz (60 %) und Ventilationsrate (3480 mm/s) erreicht. Zudem zeigten 10 Zyklen von Filtrations- und Belüftungstests am TPU-transparenten Luftfilter, dass die Filtrationseffizienz nur um 1,6 % sank und die Ventilationsrate sich sehr langsam änderte und im Wesentlichen unverändert blieb. Diese Ergebnisse zeigen, dass TPU-Nanofasern-Membranen, die durch Elektrospinnen hergestellt werden, viele Vorteile wie gute Wasserabweisung, gute optische Transparenz, hohe Ventilationsrate und hohe Filtrationsleistung aufweisen und als Filtermaterialien in vielen Bereichen eingesetzt werden können.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

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