Bactérias, vírus ou substâncias tóxicas amplamente espalhadas em ambientes com temperatura ambiente, transportadas por partículas ultrafinas, como PM0,3, representam uma ameaça à saúde pública. Além disso, os gases residuais industriais de alta temperatura poluem gravemente o meio ambiente. Há uma necessidade urgente de desenvolver membranas de filtração aplicáveis ​​tanto a fontes ambientais contendo bactérias quanto a fontes de alta temperatura para a saúde das pessoas e otimização ambiental. Atualmente, a maioria das membranas de filtração enfrenta gargalos técnicos, como baixa durabilidade da filtração e lento progresso da industrialização. Para resolver esses problemas, a equipe liderada pelo acadêmico Xu Weilin, da Universidade Têxtil de Wuhan, utilizou tecnologia de fiação centrífuga. Sem a necessidade de campo elétrico externo, a poliimida adquire espontaneamente uma estrutura molecular polarizada durante o processo de fiação, gerando fortes forças eletrostáticas autossustentadas na superfície das mantas de fibra formadas. Pelo crescimento in-situ de nanopartículas de prata, são dotadas propriedades antibacterianas, alcançando filtração antibacteriana e de longo prazo. Esta técnica também realiza a preparação em massa de membranas de filtração. Trabalho deles,"Filtros de ar resistentes ao calor baseados em esteiras eletrostáticas e antibacterianas autossustentadas de poliimida/fibra de prata,"foi publicado em Materiais Funcionais Avançados. Os co-autores do artigo são o Dr. Lv Pei da Universidade Têxtil de Wuhan e Ju Zheng, um aluno de mestrado da turma de 2023, tendo o Acadêmico Xu Weilin e o Professor Liu Xin como autores correspondentes.

A geração de fortes forças eletrostáticas autossustentadas na superfície das esteiras de fibra de poliimida é atribuída principalmente ao atrito macroscópico e à polarização dipolo microscópica durante o processo de fiação centrífuga. A fricção entre as fibras e o ar, bem como entre as fibras, cria um forte campo eletrostático, que desencadeia a polarização das moléculas de poliimida, fortalecendo ainda mais o campo eletrostático. Devido ao alto isolamento e excelentes propriedades dielétricas da poliimida, sua perda eletrostática é mínima, retardando a dissipação das forças eletrostáticas superficiais. Em comparação com os filmes de poliimida obtidos por fundição, as fortes forças eletrostáticas estão presentes apenas na superfície das esteiras de fibra fiada centrífuga. Outras simulações moleculares confirmaram os diferentes graus de polarização das moléculas de poliimida obtidas por métodos de fiação centrífuga e fundição. A energia da ligação de hidrogênio das esteiras de fibra centrífuga e dos filmes fundidos foi de 28,54 kJ/mol e 19,50 kJ/mol, respectivamente, consistente com sua estabilidade térmica. Além disso, o parâmetro de polaridade absoluta das esteiras de fibra centrífuga foi superior ao dos filmes fundidos, confirmando ainda que o processo de fiação centrífuga induz a polarização das moléculas de poliimida, aumentando a polaridade molecular.

A análise da morfologia e das propriedades físico-químicas da poliimida e de suas esteiras de fibra composta de nanopartículas de prata mostra que o método de crescimento in-situ fixa com sucesso nanopartículas de prata às esteiras de fibra de poliimida. Dentro da faixa de temperatura de decomposição térmica de 30-350 °C, a perda de peso das mantas de fibra de nanopartículas de poliimida/prata (PI/Ag) não excede 5%; testes de resistência ao calor mostram que as fibras PI/Ag mantêm sua forma contínua mesmo após tratamento térmico prolongado a 280 °C, sem alteração significativa no diâmetro da fibra. A excelente estabilidade térmica do PI/Ag permite que filtros de ar baseados neste material sejam utilizados por longos períodos em temperaturas ambientais de 200-300 °C.

O teste de desempenho de filtração de PI/Ag mostra que a eficiência de filtração para PM0,3 de uma manta de fibra de 260 µm de espessura é de 99,1%, e para uma manta de fibra de 180 µm de espessura, é de 98,1%, com uma queda de pressão reduzida para 73,67 Pa , e uma tensão eletrostática de superfície média de -713 V. Em contraste, as esteiras comerciais de fibra de poliimida têm apenas uma tensão eletrostática de superfície de -10 V, com uma eficiência de filtração de PM0,3 de 58,5%. A tensão eletrostática de superfície ultra-alta e a estrutura de rede 3D construída por rotação centrífuga melhoram sinergicamente a eficiência de filtragem de ar do PI/Ag. Após 330 dias, a tensão eletrostática superficial do PI/Ag ainda permanece acima de -700 V, e após 1 hora de tratamento em alta temperatura a 280 °C, sua eficiência de filtração para PM0,3 permanece acima de 91,3%. Portanto, o PI/Ag pode garantir baixa queda de pressão e, ao mesmo tempo, alcançar filtração de longo prazo em ambientes de alta temperatura. Testes antibacterianos mostram que PI/Ag apresenta atividade antibacteriana significativa contra Escherichia coli e Staphylococcus aureus. Portanto, o PI/Ag preparado neste estudo pode ser usado para filtração de ar de fontes bacterianas à temperatura ambiente, bem como para filtração de gases de combustão de fontes industriais de alta temperatura.

Resumo: Os autores prepararam esteiras de fibra de poliimida antibacterianas e resistentes a altas temperaturas com fortes forças eletrostáticas autossustentadas usando tecnologia de fiação centrífuga, que, devido ao efeito de forças eletrostáticas autossustentadas, têm uma alta eficiência de filtração de PM0,3, garantindo ao mesmo tempo uma baixa queda de pressão. Este trabalho fornece uma nova abordagem para a preparação contínua e em larga escala de materiais de fibra de filtragem de ar eficientes e multifuncionais.