Бактерии, вируси или токсични вещества, широко разпространени в среда с температура на околната среда, пренасяни от ултрафини прахови частици като PM0.3, представляващи заплаха за общественото здраве. Освен това промишлените отпадъчни газове с висока температура замърсяват силно околната среда. Съществува спешна необходимост от разработване на филтриращи мембрани, приложими както към атмосферни източници, съдържащи бактерии, така и към високотемпературни източници за оптимизиране на здравето на хората и околната среда. Понастоящем повечето филтриращи мембрани са изправени пред технически затруднения, като ниска издръжливост на филтриране и бавен напредък на индустриализацията. За да се справи с тези проблеми, екипът, ръководен от академик Сю Вейлин от Уханския текстилен университет, е използвал технология за центробежно предене. Без необходимост от външно електрическо поле, полиимидът спонтанно придобива поляризирана молекулярна структура по време на процеса на предене, генерирайки силни самоподдържащи се електростатични сили върху повърхността на формираните влакнести рогозки. Чрез растеж на място на сребърни наночастици се придават антибактериални свойства, постигайки антибактериална и дълготрайна филтрация. Тази техника също така реализира масовата подготовка на филтриращи мембрани. Тяхната работа,"Топлоустойчиви въздушни филтри, базирани на самоустойчиви електростатични и антибактериални полиимидни/сребърни нишки,"беше публикуван в Разширено Функционален Материали. Първите съавтори на статията са д-р лв Пей от текстилния университет в Ухан и Джу Джън, магистър от випуск 2023, с академик Сю Вейлин и професор Лю Син като съответни автори.

Генерирането на силни самоподдържащи се електростатични сили върху повърхността на рогозките от полиимидни влакна се дължи главно на макроскопичното триене и микроскопичната диполна поляризация по време на процеса на центробежно предене. Триенето между влакната и въздуха, както и между влакната, създава силно електростатично поле, което задейства поляризацията на полиимидните молекули, като по този начин допълнително засилва електростатичното поле. Благодарение на високата изолация и отличните диелектрични свойства на полиимида, неговите електростатични загуби са минимални, което забавя разсейването на повърхностните електростатични сили. В сравнение с полиимидните филми, получени чрез леене, силните електростатични сили присъстват само върху повърхността на центробежно изпредените влакнести рогозки. По-нататъшни молекулярни симулации потвърдиха различните степени на поляризация на полиимидните молекули, получени чрез методи на центробежно въртене и леене. Енергията на водородната връзка на рогозките от центробежни влакна и кастинг филмите е 28,54 kJ/мол и 19,50 kJ/мол, съответно, в съответствие с тяхната термична стабилност. Нещо повече, параметърът на абсолютната полярност на центробежните центрофугирани влакна е по-висок от този на кастинг филмите, което допълнително потвърждава, че процесът на центробежно въртене предизвиква поляризация на полиимидните молекули, повишавайки молекулярната полярност.

Анализът на морфологията и физикохимичните свойства на полиимида и неговите композитни влакнести подложки от сребърни наночастици показва, че методът на растеж на място успешно прикрепя сребърни наночастици към подложките от полиимидни влакна. В рамките на температурния диапазон на термично разлагане от 30-350 °C, загубата на тегло на полиимидни/сребърни влакнести наночастици (ПИ/Ag) не надвишава 5%; тестовете за топлоустойчивост показват, че ПИ/Ag влакната поддържат непрекъснатата си форма дори след продължителна топлинна обработка при 280 °C, без значителна промяна в диаметъра на влакното. Отличната термична стабилност на ПИ/Ag позволява въздушните филтри, базирани на този материал, да се използват за дълги периоди при температури на околната среда от 200-300 °C.

Тестът за ефективност на филтриране на ПИ/Ag показва, че ефективността на филтриране за PM0.3 на влакнеста подложка с дебелина 260 µm е 99,1%, а за влакнеста подложка с дебелина 180 µm е 98,1%, като спадът на налягането е намален до 73,67 татко , и средно повърхностно електростатично напрежение от -713 V. За разлика от тях, търговските рогозки от полиимидни влакна имат само повърхностно електростатично напрежение от -10 V, с ефективност на филтриране на PM0.3 от 58,5%. Свръхвисокото повърхностно електростатично напрежение и 3D мрежовата структура, изградена чрез центробежно въртене, синергично подобряват ефективността на филтриране на въздуха на ПИ/Ag. След 330 дни повърхностното електростатично напрежение на ПИ/Ag все още остава над -700 V и след 1 час високотемпературно третиране при 280 °C ефективността му на филтриране за PM0.3 остава над 91,3%. Следователно, ПИ/Ag може да осигури нисък спад на налягането, като същевременно постига дългосрочно филтриране в среди с висока температура. Антибактериалните тестове показват, че ПИ/Ag проявява значителна антибактериална активност срещу Ешерихия коли и Стафилококи ауреус. Следователно, ПИ/Ag, изготвен в това изследване, може да се използва за филтриране на въздуха на бактериални източници със стайна температура, както и за филтриране на димни газове при промишлени високотемпературни източници.

Резюме: Авторите са подготвили антибактериални, устойчиви на висока температура полиимидни влакна със силни самоподдържащи се електростатични сили, използвайки центробежна технология за предене, които, поради ефекта на самоподдържащите се електростатични сили, имат висока ефективност на филтриране на PM0.3, като същевременно осигуряват нисък спад на налягането. Тази работа осигурява нов подход към широкомащабното, непрекъснато приготвяне на многофункционални, ефективни влакнести материали за филтриране на въздуха.