El Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad Politécnica de Hong Kong (PolyU) ha desarrollado recientemente un filtro de nanofibras cargado electrostáticamente con múltiples capas de separación, que puede capturar partículas contaminantes de menos de 100 nm de diámetro (que cubren las nanopartículas y los virus más comunes en el aire). El nuevo filtro de nanofibras demuestra un mejor rendimiento en términos de transpirabilidad, eficiencia de filtración (10 por ciento más alta que el filtro de microfibra electret convencional), y vida útil (hasta 90 días).

Los nano-aerosoles de 100 nm o menos de diámetro existen en todas partes en entornos urbanos, y en virtud de sus reducidas dimensiones, se puede inhalar fácilmente en el cuerpo humano. La mayoría de los virus transmitidos por el aire, desde la influenza hasta virus epidémicos como la gripe porcina o el SARS, también están en el rango de tamaño de 100 nm. Sigue siendo una misión desafiante para los científicos desarrollar un filtro de aire o una máscara fáciles de usar para la captura efectiva de nanopartículas y para proteger a las personas de los contaminantes y virus dañinos en el aire que pueden afectar la salud.

El equipo dirigido por Ir. Profesor Wallace Leung Woon-Fong, Catedrático de Tecnologías y Productos Innovadores, fluoruro de polivinilideno (PVDF) usado y probado, un termoplástico semicristalino comúnmente utilizado como aislamiento en cables eléctricos, para fabricar filtros de nanofibras. Aplicando tecnología innovadora en Descarga Corona, el equipo impartió cargas electrostáticas a la nanofibra de PVDF, para inducir la interacción eléctrica con aerosoles a corta distancia y capturar los aerosoles de manera eficiente.

En comparación con otros filtros fabricados con microfibras cargadas o fibras no cargadas en el mercado, El nuevo filtro de PolyU tiene una eficiencia de filtración mucho mayor, pero sin aumentar la caída de presión con el tiempo (una caída de presión más alta significa un filtro que enfrenta una mayor resistencia al flujo de aire, y por lo tanto ser menos transpirable para el usuario de la máscara o un caudal reducido para un filtro de espacio). La nanofibra de PVDF ha demostrado tener una carga estable, con efecto de carga que se mantiene durante casi tres meses. En la literatura anterior sobre la carga de otras nanofibras, las cargas impartidas suelen disiparse en un día.

Filtro de nanofibras PVDF cargado

En las pruebas de filtración para aerosoles de varios tamaños realizadas por el equipo de PolyU, el filtro de nanofibras de PVDF cargado demostró una caída de presión de solo 5 Pa (Pascal / unidad de presión) y una eficiencia de filtración de aproximadamente 54 por ciento para la partícula de 100 nm (es decir, después del flujo de aire a través del filtro, El 54 por ciento de las nanopartículas de 100 nm de diámetro quedan atrapadas), en comparación con el 17 por ciento del filtro de nanofibras de PVDF sin carga. También hubo un aumento de 2.7 veces en el "factor de calidad":la relación entre la eficiencia de filtración y la caída de presión, o la relación costo-beneficio. Cuanto mayor sea el factor de calidad, mejor es el rendimiento del filtro teniendo en cuenta la importancia tanto de la filtración como de la transpirabilidad.

El profesor Leung dijo que como los virus suelen tener cargas electrostáticas negativas, pueden ser capturados de manera muy efectiva por las nanofibras de PVDF cargadas positivamente. "El filtro o mascarilla que aplica nuestra innovación sería, por tanto, una defensa ideal contra los virus durante un brote".

Novedosas capas de separadores electrostáticos múltiples

Para fortalecer aún más el rendimiento de captura electrostática del filtro, el equipo de investigación desarrolló la configuración de múltiples capas de separadores electrostáticos, distribuyendo el mismo peso de nanofibras de PVDF en un filtro de una sola capa en varias capas de filtro con cada capa aislada por un separador, para reducir la interferencia electrostática entre fibras de capas adyacentes y aumentar la eficiencia del filtro por fuerza electrostática.

Las pruebas de filtración mostraron que la eficiencia de filtración de los filtros con múltiples capas de separador electrostático cargadas (pruebas en dos, tres y cuatro capas) fueron 39 por ciento a 45 por ciento más altos que el filtro cargado sin el separador. El factor de calidad de los filtros con múltiples capas separadoras electrostáticas cargadas fue de 2 a 3,5 veces mayor que el de los filtros sin el separador.

Estabilidad y durabilidad

La carga en el medio filtrante y su efecto electrostático relacionado se disipará con el tiempo. La prueba de durabilidad del filtro demostró que el nuevo filtro de nanofibras cargado electrostáticamente de PolyU con múltiples capas separadoras podía mantener un alto rendimiento persistente durante un período prolongado. 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, etc.

The electret PVDF nanofiber filter can be used in Western Blot, an analytical technique widely used to detect or extract proteins. En el proceso, 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.