Het Department of Mechanical Engineering van de Hong Kong Polytechnic University (PolyU) heeft onlangs een elektrostatisch geladen nanovezelfilter ontwikkeld met meerdere scheidingslagen, die verontreinigende deeltjes met een diameter van minder dan 100 nm kunnen opvangen (waaronder de meest voorkomende nanodeeltjes en virussen in de lucht). Het nieuwe nanovezelfilter toont betere prestaties op het gebied van ademend vermogen, filtratie-efficiëntie (10 procent hoger dan het conventionele electret-microvezelfilter), en houdbaarheid (tot 90 dagen).

Nano-aerosolen met een diameter van 100 nm en kleiner komen overal in stedelijke omgevingen voor, en vanwege hun kleine afmetingen, gemakkelijk kunnen worden ingeademd in het menselijk lichaam. De meeste virussen in de lucht, van griep tot epidemische virussen zoals Mexicaanse griep of SARS, zijn ook in het groottebereik van 100 nm. Het blijft een uitdagende missie voor wetenschappers om gebruiksvriendelijke luchtfilters of maskers te ontwikkelen voor het effectief opvangen van nanodeeltjes en om mensen te beschermen tegen schadelijke luchtverontreinigingen en virussen die de gezondheid kunnen schaden.

Het team onder leiding van Ir. Professor Wallace Leung Woon-Fong, Voorzitter Hoogleraar Innovatieve Producten en Technologieën, gebruikt en getest polyvinylideenfluoride (PVDF), een semi-kristallijne thermoplast die gewoonlijk wordt gebruikt als isolatie op elektrische draden, nanovezelfilters te fabriceren. Innovatieve technologie toepassen in Corona Discharge, het team bracht elektrostatische ladingen op PVDF-nanovezel, om elektrische interactie met aërosolen op korte afstand te induceren en de aërosolen efficiënt op te vangen.

In vergelijking met andere filters gemaakt met geladen microvezels of ongeladen vezels op de markt, Het nieuwe filter van PolyU heeft een veel verbeterde filtratie-efficiëntie, maar zonder toenemende drukval in de loop van de tijd (hogere drukval betekent een filter met een hogere luchtstroomweerstand, en dus minder ademend zijn voor de maskergebruiker of verminderde stroomsnelheid voor een ruimtefilter). De PVDF-nanovezel is stabiel geladen gebleken, met oplaadeffect dat bijna drie maanden blijft. In eerdere literatuur over het opladen van andere nanovezels, de bijgebrachte kosten verdwijnen meestal binnen een dag.

Opgeladen PVDF-nanovezelfilter

In filtratietests voor aerosols van verschillende groottes, uitgevoerd door het PolyU-team, het geladen PVDF-nanovezelfilter vertoonde een drukval van slechts 5 Pa (Pascal / drukeenheid) en een filtratie-efficiëntie van ongeveer 54 procent voor het 100 nm-deeltje (d.w.z. na de luchtstroom door het filter, 54 procent van de nanodeeltjes met een diameter van 100 nm wordt gevangen), vergeleken met 17 procent van een niet-geladen PVDF-nanovezelfilter. Er was ook een 2,7-voudige toename van de "kwaliteitsfactor" - de verhouding tussen filtratie-efficiëntie en drukval, of de baten-kostenverhouding. Hoe hoger de kwaliteitsfactor, hoe beter de prestaties van het filter, rekening houdend met het belang van zowel filtratie als ademend vermogen.

Professor Leung zei dat virussen meestal negatieve elektrostatische ladingen dragen, ze kunnen zeer effectief worden opgevangen door de positief geladen PVDF-nanovezels. "Het filter of gezichtsmasker dat onze innovatie toepast, zou daarom een ​​ideale verdediging zijn tegen virussen tijdens een uitbraak."

Nieuwe meerdere elektrostatische scheidingslagen

Om de elektrostatische vangprestaties van het filter verder te versterken, het onderzoeksteam ontwikkelde de configuratie van meerdere elektrostatische scheidingslagen - waarbij hetzelfde gewicht aan PVDF-nanovezels in een enkellaags filter werd verdeeld over verschillende filterlagen, waarbij elke laag werd geïsoleerd door een scheidingsteken, om de elektrostatische interferentie tussen vezels van aangrenzende lagen te verminderen en de filterefficiëntie door elektrostatische kracht te verhogen.

Filtratietesten toonden aan dat de filtratie-efficiëntie van de filters met geladen meerdere elektrostatische scheidingslagen (tests op twee, drie- en vierlaags) waren 39 tot 45 procent hoger dan het geladen filter zonder de separator. De kwaliteitsfactor van de filters met geladen meerdere elektrostatische separatorlagen was 2 tot 3,5 keer hoger dan die zonder de separator.

Stabiliteit en duurzaamheid

De lading op het filtermedium en het bijbehorende elektrostatische effect zullen na verloop van tijd verdwijnen. Filterduurzaamheidstest heeft uitgewezen dat PolyU's nieuwe elektrostatisch geladen nanovezelfilter met meerdere scheidingslagen gedurende een langere periode een aanhoudend hoge prestatie kan behouden, and is thus more durable and can store for a longer time.

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, enzovoort.

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.