Batteri, virus o sostanze tossiche ampiamente diffusi in ambienti a temperatura ambiente, trasportati da particolato ultrafine come PM0,3, rappresentano una minaccia per la salute pubblica. Inoltre, i gas di scarico industriali ad alta temperatura inquinano gravemente l’ambiente. C'è un urgente bisogno di sviluppare membrane di filtrazione applicabili sia a fonti ambientali contenenti batteri che a fonti ad alta temperatura per la salute delle persone e l'ottimizzazione ambientale. Attualmente, la maggior parte delle membrane di filtrazione deve affrontare colli di bottiglia tecnici, come la scarsa durata della filtrazione e il lento progresso dell’industrializzazione. Per affrontare questi problemi, il team guidato dall’accademico Xu Weilin della Wuhan Textile University ha utilizzato la tecnologia di filatura centrifuga. Senza la necessità di un campo elettrico esterno, la poliimmide acquisisce spontaneamente una struttura molecolare polarizzata durante il processo di filatura, generando forti forze elettrostatiche autosostenute sulla superficie dei tappetini di fibre formati. Attraverso la crescita in situ delle nanoparticelle d'argento vengono conferite proprietà antibatteriche, ottenendo una filtrazione antibatterica e a lungo termine. Questa tecnica realizza anche la preparazione in massa delle membrane di filtrazione. Il loro lavoro,"Filtri dell'aria resistenti al calore basati su tappetini elettrostatici e antibatterici autosufficienti in poliimmide/fibra d'argento,"è stato pubblicato in Materiali Funzionali Avanzati. I co-primi autori dell'articolo sono il dottor Lv Pei della Wuhan Textile University e Ju Zheng, uno studente di master della classe 2023, con l'accademico Xu Weilin e il professor Liu Xin come autori corrispondenti.

La generazione di forti forze elettrostatiche autosufficienti sulla superficie dei tappetini in fibra di poliimmide è principalmente attribuita all'attrito macroscopico e alla polarizzazione microscopica del dipolo durante il processo di filatura centrifuga. L'attrito tra le fibre e l'aria, così come tra le fibre, crea un forte campo elettrostatico, che innesca la polarizzazione delle molecole di poliimmide, rafforzando così ulteriormente il campo elettrostatico. Grazie all'elevato isolamento e alle eccellenti proprietà dielettriche della poliimmide, la sua perdita elettrostatica è minima, rallentando la dissipazione delle forze elettrostatiche superficiali. Rispetto ai film di poliimmide ottenuti mediante colata, le forti forze elettrostatiche sono presenti solo sulla superficie dei tappetini in fibra centrifugata. Ulteriori simulazioni molecolari hanno confermato i diversi gradi di polarizzazione delle molecole di poliimmide ottenute mediante metodi di centrifugazione e colata. L'energia del legame idrogeno dei tappetini in fibra centrifugata e dei film cast era rispettivamente di 28,54 kJ/mol e 19,50 kJ/mol, coerente con la loro stabilità termica. Inoltre, il parametro di polarità assoluta dei tappetini in fibra centrifugata era superiore a quello dei film cast, confermando ulteriormente che il processo di filatura centrifuga induce la polarizzazione delle molecole di poliimmide, migliorando la polarità molecolare.

L'analisi della morfologia e delle proprietà fisico-chimiche della poliimmide e dei suoi tappetini in fibra composita di nanoparticelle d'argento mostra che il metodo di crescita in situ attacca con successo le nanoparticelle d'argento ai tappetini in fibra di poliimmide. Nell'intervallo di temperature di decomposizione termica compreso tra 30 e 350 °C, la perdita di peso dei tappetini in fibra di nanoparticelle di poliimmide/argento (PI/Ag) non supera il 5%; i test di resistenza al calore mostrano che le fibre PI/Ag mantengono la loro forma continua anche dopo un trattamento termico a lungo termine a 280 °C, senza cambiamenti significativi nel diametro delle fibre. L'eccellente stabilità termica del PI/Ag consente l'utilizzo dei filtri dell'aria basati su questo materiale per lunghi periodi a temperature ambientali di 200-300 °C.

Il test delle prestazioni di filtrazione di PI/Ag mostra che l'efficienza di filtrazione per PM0,3 di un materassino in fibra di spessore 260 µm è del 99,1%, e per un materassino in fibra di spessore 180 µm è del 98,1%, con una caduta di pressione ridotta a 73,67 Pa e una tensione elettrostatica superficiale media di -713 V. Al contrario, i tappetini in fibra di poliimmide commerciali hanno solo una tensione elettrostatica superficiale di -10 V, con un'efficienza di filtrazione PM0,3 del 58,5%. La tensione elettrostatica superficiale ultraelevata e la struttura di rete 3D costruita mediante centrifugazione migliorano sinergicamente l'efficienza di filtrazione dell'aria di PI/Ag. Dopo 330 giorni, la tensione elettrostatica superficiale di PI/Ag rimane ancora al di sopra di -700 V, e dopo 1 ora di trattamento ad alta temperatura a 280 °C, la sua efficienza di filtrazione per PM0,3 rimane al di sopra del 91,3%. Pertanto, PI/Ag può garantire una bassa caduta di pressione ottenendo al tempo stesso una filtrazione a lungo termine in ambienti ad alta temperatura. I test antibatterici mostrano che PI/Ag presenta una significativa attività antibatterica contro Escherichia coli e Staphylococcus aureus. Pertanto, il PI/Ag preparato in questo studio può essere utilizzato per la filtrazione dell'aria di fonti batteriche a temperatura ambiente nonché per la filtrazione dei gas di scarico di fonti industriali ad alta temperatura.

Riepilogo: Gli autori hanno preparato tappetini in fibra di poliimmide antibatterici e resistenti alle alte temperature con forti forze elettrostatiche autosostenute utilizzando la tecnologia di filatura centrifuga che, grazie all'effetto delle forze elettrostatiche autosostenute, hanno un'elevata efficienza di filtrazione PM0,3 garantendo allo stesso tempo una bassa caduta di pressione. Questo lavoro fornisce un nuovo approccio alla preparazione continua su larga scala di materiali in fibra di filtrazione dell'aria multifunzionali ed efficienti.