Las bacterias, virus o sustancias tóxicas se propagan ampliamente en ambientes a temperatura ambiente, transportados por partículas ultrafinas como PM0.3, lo que representa una amenaza para la salud pública. Además, los gases residuales industriales a alta temperatura contaminan gravemente el medio ambiente. Existe una necesidad urgente de desarrollar membranas de filtración aplicables tanto a fuentes ambientales que contengan bacterias como a fuentes de alta temperatura para la salud de las personas y la optimización ambiental. Actualmente, la mayoría de las membranas de filtración enfrentan obstáculos técnicos, como una mala durabilidad de la filtración y un lento progreso de la industrialización. Para abordar estos problemas, el equipo dirigido por el académico Xu Weilin de la Universidad Textil de Wuhan ha utilizado tecnología de hilado centrífugo. Sin la necesidad de un campo eléctrico externo, la poliimida adquiere espontáneamente una estructura molecular polarizada durante el proceso de hilado, generando fuertes fuerzas electrostáticas autosostenidas en la superficie de las esteras de fibra formadas. Mediante el crecimiento in situ de nanopartículas de plata se dotan de propiedades antibacterianas, consiguiendo una filtración antibacteriana y de larga duración. Esta técnica también permite la preparación en masa de membranas de filtración. Su trabajo,"Filtros de aire resistentes al calor basados ​​en esteras autosostenidas de poliimida/fibra de plata electrostáticas y antibacterianas."fue publicado en Materiales funcionales avanzados. Los coautores del artículo son el Dr. Lv Pei de la Universidad Textil de Wuhan y Ju Zheng, un estudiante de maestría de la promoción de 2023, con el académico Xu Weilin y el profesor Liu Xin como autores correspondientes.

La generación de fuertes fuerzas electrostáticas autosostenidas en la superficie de las esteras de fibra de poliimida se atribuye principalmente a la fricción macroscópica y la polarización microscópica del dipolo durante el proceso de hilado centrífugo. La fricción entre las fibras y el aire, así como entre las fibras, crea un fuerte campo electrostático, que provoca la polarización de las moléculas de poliimida, fortaleciendo así aún más el campo electrostático. Debido al alto aislamiento y las excelentes propiedades dieléctricas de la poliimida, su pérdida electrostática es mínima, lo que ralentiza la disipación de las fuerzas electrostáticas superficiales. En comparación con las películas de poliimida obtenidas mediante fundición, las fuertes fuerzas electrostáticas sólo están presentes en la superficie de las esteras de fibra hiladas centrífugamente. Otras simulaciones moleculares confirmaron los diferentes grados de polarización de las moléculas de poliimida obtenidas mediante métodos de fundición y hilatura centrífuga. La energía del enlace de hidrógeno de las esteras de fibra hiladas centrífugas y las películas fundidas fue de 28,54 kJ/mol y 19,50 kJ/mol, respectivamente, lo que concuerda con su estabilidad térmica. Además, el parámetro de polaridad absoluta de las esteras de fibra hiladas centrífuga fue mayor que el de las películas fundidas, lo que confirma aún más que el proceso de hilatura centrífuga induce la polarización de las moléculas de poliimida, mejorando la polaridad molecular.

El análisis de la morfología y las propiedades fisicoquímicas de la poliimida y sus esteras de fibras compuestas de nanopartículas de plata muestra que el método de crecimiento in situ une con éxito nanopartículas de plata a las esteras de fibras de poliimida. Dentro del rango de temperatura de descomposición térmica de 30-350 °C, la pérdida de peso de las esteras de fibra de nanopartículas de poliimida/plata (PI/Ag) no supera el 5 %; Las pruebas de resistencia al calor muestran que las fibras de PI/Ag mantienen su forma continua incluso después de un tratamiento térmico prolongado a 280 °C, sin cambios significativos en el diámetro de la fibra. La excelente estabilidad térmica del PI/Ag permite utilizar filtros de aire basados ​​en este material durante largos períodos a temperaturas ambientales de 200-300 °C.

La prueba de rendimiento de filtración de PI/Ag muestra que la eficiencia de filtración para PM0,3 de una estera de fibra de 260 µm de espesor es del 99,1%, y para una estera de fibra de 180 µm de espesor, es del 98,1%, con una caída de presión reducida a 73,67 Pa. y un voltaje electrostático superficial promedio de -713 V. Por el contrario, las esteras comerciales de fibra de poliimida solo tienen un voltaje electrostático superficial de -10 V, con una eficiencia de filtración de PM0,3 del 58,5%. El voltaje electrostático de superficie ultra alto y la estructura de red 3D construida mediante giro centrífugo mejoran sinérgicamente la eficiencia de filtración de aire de PI/Ag. Después de 330 días, el voltaje electrostático superficial de PI/Ag aún se mantiene por encima de -700 V, y después de 1 hora de tratamiento a alta temperatura a 280 °C, su eficiencia de filtración para PM0,3 se mantiene por encima del 91,3 %. Por lo tanto, PI/Ag puede garantizar una baja caída de presión y al mismo tiempo lograr una filtración a largo plazo en entornos de alta temperatura. Las pruebas antibacterianas muestran que PI/Ag exhibe una actividad antibacteriana significativa contra Escherichia coli y Staphylococcus aureus. Por lo tanto, el PI/Ag preparado en este estudio se puede utilizar para la filtración de aire de fuentes bacterianas a temperatura ambiente, así como para la filtración de gases de combustión industriales de alta temperatura.

Resumen: Los autores han preparado esteras de fibra de poliimida antibacterianas y resistentes a altas temperaturas con fuertes fuerzas electrostáticas autosostenidas utilizando tecnología de hilado centrífugo que, debido al efecto de las fuerzas electrostáticas autosostenidas, tienen una alta eficiencia de filtración de PM0.3 al tiempo que garantizan una baja caída de presión. Este trabajo proporciona un nuevo enfoque para la preparación continua a gran escala de materiales de fibra de filtración de aire eficientes y multifuncionales.