PolyU udvikler elektrostatisk ladet nanofiber til luftbåren filtrering

Institut for Maskinteknik ved Hong Kong Polytechnic University (PolyU) har for nylig udviklet et elektrostatisk ladet nanofiberfilter med flere separatorlag, som kan fange forurenende partikler, der er under 100 nm i diameter (dækker de mest almindelige luftbårne nanopartikler og vira). Det nye nanofiber -filter demonstrerer bedre ydeevne med hensyn til åndbarhed, filtreringseffektivitet (10 procent højere end det konventionelle elektretmikrofiberfilter), og holdbarhed (op til 90 dage).

Nano-aerosoler på 100 nm og derunder i diameter findes overalt i bymiljøer, og i kraft af deres små størrelser, let kan indåndes i menneskelige kroppe. De fleste luftbårne vira, fra influenza til epidemiske vira som svineinfluenza eller SARS, er også i størrelsesområdet 100 nm. Det er fortsat en udfordrende mission for forskere at udvikle brugervenligt luftfilter eller maske til effektiv opsamling af nanopartikler og for at beskytte mennesker mod skadelige luftbårne forurenende stoffer og vira, der kan påvirke sundheden.

Teamet ledet af Ir. Professor Wallace Leung Woon-Fong, Formand professor i innovative produkter og teknologier, brugt og testet polyvinylidenfluorid (PVDF), en halvkrystallinsk termoplast, der almindeligvis bruges som isolering på elektriske ledninger, at fremstille nanofiberfiltre. Anvendelse af innovativ teknologi i Corona Discharge, holdet overførte elektrostatiske ladninger til PVDF nanofiber, at fremkalde elektrisk interaktion med aerosoler i tæt afstand og fange aerosolerne effektivt.

Sammenligning med andre filtre fremstillet med ladede mikrofibre eller uladede fibre på markedet, PolyUs nye filter har meget forbedret filtreringseffektivitet, dog uden at øge trykfaldet over tid (højere trykfald betyder et filter, der står over for højere luftstrømsmodstand, og dermed mindre åndbar for maskebrugeren eller reduceret strømningshastighed for et rumfilter). PVDF nanofiber har vist sig at være stabilt opladet, med opladningseffekt, der holder i næsten tre måneder. I tidligere litteraturer om opladning af andre nanofibre, de overførte ladninger forsvinder normalt inden for en dag.

Opladet PVDF nanofiber filter

I filtreringstest for aerosoler i forskellige størrelser udført af PolyU -teamet, det opladede PVDF -nanofiberfilter viste trykfald på kun 5 Pa (Pascal / trydeenhed) og en filtreringseffektivitet på ca. 54 procent for 100 nm -partiklen (dvs. efter luftstrømmen gennem filteret, 54 procent af nanopartiklerne på 100 nm i diameter fanges), sammenlignet med 17 procent af ikke-ladet PVDF nanofiber filter. Der var også en 2,7 gange stigning i "kvalitetsfaktor" - forholdet mellem filtreringseffektivitet og trykfald, eller forholdet mellem fordel og omkostninger. Jo højere kvalitetsfaktor, jo bedre er filterets ydeevne under hensyntagen til vigtigheden af ​​både filtrering og åndbarhed.

Professor Leung sagde, da vira normalt bærer negative elektrostatiske ladninger, de kan fanges meget effektivt af de positivt ladede PVDF nanofibre. "Filteret eller ansigtsmasken, der anvender vores innovation, ville derfor være et ideelt forsvar mod virus under et udbrud."

Nye flere elektrostatiske separatorlag

For yderligere at styrke filterets elektrostatiske optagelsesydelse, forskergruppen udviklede konfigurationen af ​​flere elektrostatiske separatorlag-fordeling af den samme vægt af PVDF-nanofibre i et enkeltlagsfilter i flere filterlag med hvert lag isoleret af en separator, for at reducere den elektrostatiske interferens blandt fibre i tilstødende lag og øge filtereffektiviteten ved elektrostatisk kraft.

Filtreringstest viste, at filtreringseffektiviteten af ​​filtrene med ladede flere elektrostatiske separatorlag (test på to, tre- og firelags) var 39 procent til 45 procent højere end det ladede filter uden separatoren. Kvalitetsfaktoren for filtre med ladede flere elektrostatiske separatorlag var 2 til 3,5 gange højere end den uden separatoren.

Stabilitet og holdbarhed

Opladning på filtermedium og dets tilhørende elektrostatiske effekt forsvinder med tiden. Filterholdbarhedstest viste, at PolyUs nye elektrostatisk ladede nanofiberfilter med flere separatorlag kunne opretholde en vedvarende høj ydeevne i en længere periode, og er dermed mere holdbar og kan opbevares i længere tid.

Filtration efficiency tests in humid ambient of 80 percent relative humidity (Hong Kong's average annual percentage of humidity is 77.0 percent) for filters with four electrostatic separator layers (with 1.75 grams of fibers per square meter) showed that the filtration efficiency dropped only marginally after 15 days, and dropped only 1 percent after 90 days.

Potential applications

PolyU's innovation can be widely applied in air filtration, from industrial to personal and household applications. Industrial usage includes dust-free rooms and fossil-fuel power stations. Air filtration can also be used to reduce particulate emission from exhaust of ships and vehicles. Personal and household usage of air filtration includes facemask, air purifier, vacuum cleaner, window filter screen, etc.

The electret PVDF nanofiber filter can be used in Western Blot, an analytical technique widely used to detect or extract proteins. In the process, PVDF membrane is often used in transferring proteins separated from the original sample. The PolyU innovation can help greatly enhance the nanofiber mat's electrostatic force in capturing protein, while maintaining the protein integrity without affecting its organization.

The innovation can also be applied to effective release of protein-based drugs. Drugs made in powder form, for example asthma drug, can be captured electrostatically by the charged PVDF nanofiber mat for more effective release and inhalation by users. Other than drugs delivered by inhalation, the innovation can also be applied similarly to drugs for use topically over skin.