Bakterien, Viren oder giftige Substanzen breiten sich in Umgebungen mit Umgebungstemperatur weithin aus und werden von ultrafeinen Partikeln wie PM0,3 übertragen, was eine Gefahr für die öffentliche Gesundheit darstellt. Darüber hinaus belasten Industrieabgase mit hoher Temperatur die Umwelt erheblich. Es besteht ein dringender Bedarf an der Entwicklung von Filtermembranen, die sowohl für bakterienhaltige Umgebungsquellen als auch für Hochtemperaturquellen geeignet sind, um die Gesundheit der Menschen zu verbessern und die Umwelt zu optimieren. Derzeit sind die meisten Filtrationsmembranen mit technischen Engpässen konfrontiert, wie z. B. schlechter Filtrationshaltbarkeit und langsamem Industrialisierungsfortschritt. Um diese Probleme anzugehen, hat das Team unter der Leitung von Akademiker Xu Weilin von der Wuhan Textile University die Zentrifugalspinntechnologie eingesetzt. Ohne dass ein externes elektrisches Feld erforderlich ist, nimmt Polyimid während des Spinnprozesses spontan eine polarisierte Molekülstruktur an und erzeugt starke, sich selbst erhaltende elektrostatische Kräfte auf der Oberfläche der geformten Fasermatten. Durch das In-situ-Wachstum von Silbernanopartikeln werden antibakterielle Eigenschaften verliehen, wodurch eine antibakterielle und langfristige Filtration erreicht wird. Diese Technik ermöglicht auch die Massenvorbereitung von Filtrationsmembranen. Ihre Arbeit,"Hitzebeständige Luftfilter auf Basis autarker elektrostatischer und antibakterieller Polyimid-/Silberfasermatten,"wurde in Advanced Functional Materials veröffentlicht. Die Co-Erstautoren des Papiers sind Dr. Lv Pei von der Wuhan Textile University und Ju Zheng, ein Masterstudent des Jahrgangs 2023, mit Akademiker Xu Weilin und Professor Liu Xin als korrespondierenden Autoren.

Die Erzeugung starker autarker elektrostatischer Kräfte auf der Oberfläche von Polyimidfasermatten wird hauptsächlich auf makroskopische Reibung und mikroskopische Dipolpolarisation während des Zentrifugalspinnprozesses zurückgeführt. Durch die Reibung zwischen Fasern und Luft sowie zwischen Fasern entsteht ein starkes elektrostatisches Feld, das die Polarisation von Polyimidmolekülen auslöst und dadurch das elektrostatische Feld weiter verstärkt. Aufgrund der hohen Isolierung und der hervorragenden dielektrischen Eigenschaften von Polyimid ist sein elektrostatischer Verlust minimal, wodurch die Ableitung elektrostatischer Oberflächenkräfte verlangsamt wird. Im Vergleich zu gegossenen Polyimidfolien wirken die starken elektrostatischen Kräfte nur an der Oberfläche der zentrifugal gesponnenen Fasermatten. Weitere molekulare Simulationen bestätigten die unterschiedlichen Polarisationsgrade von Polyimidmolekülen, die durch Schleuder- und Gießverfahren erhalten wurden. Die Wasserstoffbindungsenergie der zentrifugal gesponnenen Fasermatten und Gießfolien betrug 28,54 kJ/mol bzw. 19,50 kJ/mol, was mit ihrer thermischen Stabilität übereinstimmt. Darüber hinaus war der absolute Polaritätsparameter der zentrifugal gesponnenen Fasermatten höher als der der gegossenen Folien, was weiter bestätigt, dass der Zentrifugalspinnprozess die Polarisation von Polyimidmolekülen induziert und so die molekulare Polarität erhöht.

Die Analyse der Morphologie und der physikalisch-chemischen Eigenschaften von Polyimid und seinen Silbernanopartikel-Verbundfasermatten zeigt, dass die In-situ-Wachstumsmethode Silbernanopartikel erfolgreich an den Polyimidfasermatten anbringt. Im thermischen Zersetzungstemperaturbereich von 30–350 °C beträgt der Gewichtsverlust von Polyimid/Silber-Nanopartikelfasermatten (PI/Ag) nicht mehr als 5 %; Hitzebeständigkeitstests zeigen, dass PI/Ag-Fasern auch nach einer Langzeitwärmebehandlung bei 280 °C ihre kontinuierliche Form behalten, ohne dass sich der Faserdurchmesser wesentlich ändert. Die hervorragende thermische Stabilität von PI/Ag ermöglicht den Langzeiteinsatz von Luftfiltern auf Basis dieses Materials bei Umgebungstemperaturen von 200–300 °C.

Der Filtrationsleistungstest von PI/Ag zeigt, dass die Filtrationseffizienz für PM0,3 einer 260 µm dicken Fasermatte 99,1 % und für eine 180 µm dicke Fasermatte 98,1 % beträgt, wobei der Druckabfall auf 73,67 Pa reduziert wird und eine durchschnittliche elektrostatische Oberflächenspannung von -713 V. Im Gegensatz dazu haben kommerzielle Polyimidfasermatten nur eine elektrostatische Oberflächenspannung von -10 V, mit einer PM0,3-Filtrationseffizienz von 58,5 %. Die ultrahohe elektrostatische Oberflächenspannung und die durch Zentrifugalschleudern aufgebaute 3D-Netzwerkstruktur verbessern synergetisch die Luftfiltrationseffizienz von PI/Ag. Nach 330 Tagen liegt die elektrostatische Oberflächenspannung von PI/Ag immer noch über -700 V, und nach einer Stunde Hochtemperaturbehandlung bei 280 °C liegt die Filtrationseffizienz für PM0,3 weiterhin über 91,3 %. Daher kann PI/Ag einen geringen Druckabfall gewährleisten und gleichzeitig eine Langzeitfiltration in Umgebungen mit hohen Temperaturen erreichen. Antibakterielle Tests zeigen, dass PI/Ag eine signifikante antibakterielle Aktivität gegen Escherichia coli und Staphylococcus aureus aufweist. Daher kann das in dieser Studie hergestellte PI/Ag für die Luftfiltration von Bakterienquellen bei Raumtemperatur sowie für die industrielle Hochtemperatur-Rauchgasfiltration verwendet werden.

Zusammenfassung: Die Autoren haben mithilfe der Zentrifugalspinntechnologie antibakterielle, hochtemperaturbeständige Polyimidfasermatten mit starken selbsterhaltenden elektrostatischen Kräften hergestellt, die aufgrund der Wirkung selbsterhaltender elektrostatischer Kräfte eine hohe PM0,3-Filtrationseffizienz aufweisen und gleichzeitig gewährleisten ein geringer Druckabfall. Diese Arbeit bietet einen neuen Ansatz für die großtechnische, kontinuierliche Herstellung multifunktionaler, effizienter Luftfiltrationsfasermaterialien.