Filter Udara Poliuretana Nanofiber Transparan untuk Penangkapan PM2.5 Efisiensi Tinggi

Hasil dan Diskusi

Karakterisasi Morfologi dan Struktur

Salah satu tren penting dalam karakterisasi membran nanofibers adalah morfologi permukaan membran. Morfologi membran nanofiber TPU diamati oleh SEM, dan tegangan yang digunakan adalah sistem pencitraan pemindaian 10 kV. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 2a-f, morfologi mikroskopis membran nanofiber yang diperoleh dari larutan TPU electrospinning ditunjukkan di bawah konsentrasi TPU yang berbeda dari 6 wt%, 8 wt%, 10 wt%, 12 wt%, 14wt%, dan 16 wt%, masing-masing. Ketika konsentrasi TPU antara 6 wt% dan 12 wt% (Gbr. 2a-d), ada banyak serat nano seperti manik dengan ukuran berbeda. Ini dapat dikaitkan dengan viskositas rendah dari rantai molekul TPU polimer dengan konsentrasi larutan TPU yang rendah. Oleh karena itu, pada proses electrospinning larutan TPU konsentrasi rendah, ejeksi sulit untuk menahan regangan gaya medan listrik [32]. Selain itu, karena viskoelastisitas rantai molekul TPU, ejeksi yang diregangkan oleh gaya medan listrik akan beragregasi membentuk serat nano manik-manik [33]. Namun, dengan meningkatnya konsentrasi TPU, viskositas larutan meningkat, dan proses electrospinning akan membentuk nanofibers bukan nanofibers manik-manik, sehingga nanofibers manik-manik menjadi semakin sedikit dan akhirnya menghilang sepenuhnya (Gbr. 2e-f). Di sisi lain, viskositas larutan merupakan parameter penting yang mempengaruhi diameter nanofiber [34]. Ketika konsentrasi larutan TPU meningkat, viskositas larutan juga meningkat, sehingga diameter nanofiber meningkat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a-f. Ketika konsentrasi TPU lebih tinggi dari 14 wt%, diameter serat nano meningkat dengan cepat (Gbr. 2e-f). Diameter rata-rata nanofiber dihitung oleh NanMeasurer. Diameter nanofiber TPU rata-rata adalah ~ 0.10 μm, ~ 0.12 μm, ~ 0.14 μm, ~ 0.17 μm, ~ 0.34 μm, dan ~ 1.97 μm, sesuai dengan TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU-12, TPU -14, dan TPU-16.

Gambar SEM dari TPU electrospun. Gambar SEM a–f dan distribusi diameter dengan konsentrasi TPU masing-masing 6 wt%, 8 wt%, 10 wt%, 12 wt%, 14 wt%, dan 16 wt%

Analisis Spektrum Inframerah Transformasi Empat

Untuk mengetahui komposisi membran nanofiber TPU yang telah dibuat, perlu dilakukan analisis spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR) pada sampel. Pertama, panaskan peralatan selama satu setengah jam, tekanan dikontrol pada 15 Mpa, tegangan kerja 220 V, suhu lingkungan dikontrol pada 20 °C, kelembaban lingkungan dikontrol pada 40%, frekuensinya adalah 50 Hz, dan arusnya adalah 7,5 A. Hasil pengujian seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3, yang jelas-jelas sama dengan spektrum inframerah substrat poliuretan. Spektrumnya ditunjukkan pada Gambar. 3. Puncak serapan kuat diamati pada bilangan gelombang 3330,18 cm ^-1 , 2960.51 cm ^-1 , dan 1215,86 cm ^-1 , menunjukkan adanya gugus fungsi N-H dan C-H. Permukaan nanofiber TPU memiliki gugus fungsi hidrofobik, dan permukaan membran serat halus dan padat. Jadi, filter udara transparan yang disiapkan memiliki fungsi hidrofobik tertentu. Karena sifat hidrofobik membran serat TPU, filter udara transparan TPU dapat membuka jendela pada hari hujan.

Komposisi membran nanofiber TPU. Demonstrasi FTIR dari TPU yang menunjukkan adanya berbagai gugus fungsi

Analisis Efisiensi Filtrasi

Efisiensi filtrasi adalah parameter terpenting untuk mengevaluasi filter udara transparan. Uji efisiensi filtrasi dilakukan pada membran serat TPU yang berbeda. Pada penelitian ini kondisi pengujian sama, suhu 20 °C, kelembaban relatif 40,6%, laju alir 2,0 m ³ /h, dan polutan PM adalah partikel aerosol. Distribusi ukuran PM dan efek filtrasi masing-masing sampel ditunjukkan pada Gambar. 4a. Efisiensi filtrasi berkorelasi positif dengan ukuran partikel PM. Untuk ukuran partikel PM yang sama, seperti PM2.5 (Gbr. 4b), dengan konsentrasi TPU meningkat dari 6  menjadi 12 wt%, efisiensi penyisihan meningkat secara signifikan, yang dapat dikaitkan dengan fakta bahwa membran digoyangkan oleh nanofibers dengan diameter lebih besar lebih baik untuk partikel PM tahan. Namun, dengan peningkatan konsentrasi TPU dari 12 menjadi 16 wt%, peningkatan jarak antara serat dan hilangnya serat bead string menghasilkan penurunan yang signifikan dalam efisiensi penghilangan membran serat TPU [18]. Peningkatan konsentrasi larutan membuat perpanjangan jet electrospinning lebih sulit dan lebih lambat, menghasilkan peningkatan ukuran pori membran serat TPU. Gambar 4c-e menunjukkan bagian partikel melalui membran serat diameter yang berbeda. Diameter serat yang lebih besar secara efektif mencegah PM melewati membran serat, dan ketika konsentrasi TPU menjadi lebih besar, diameter serat menjadi lebih besar, tetapi jarak antara serat fase juga menjadi lebih besar, yang mengakibatkan penurunan efisiensi filtrasi. Efisiensi penghilangan PM2.5 tertinggi adalah TPU-12. Ketika diameter partikel ≥ 0,525 μm, efisiensi penghilangan adalah 100%, dan penurunan tekanan hanya 10 Pa. Selain itu, efisiensi pembuangan TPU-10 pada PM2.5 adalah 99,654%.

Evaluasi efisiensi filtrasi membran serat TPU. a Hapus efisiensi PM dari berbagai ukuran dengan konsentrasi TPU masing-masing 6 wt%, 8 wt%, 10 wt%, 12 wt%, 14 wt%, dan 16 wt%. b Efisiensi penghilangan PM2.5 dari berbagai konsentrasi membran serat TPU. c –e PM melalui membran serat berdiameter berbeda

Analisis Tingkat Ventilasi

Mempertahankan ventilasi yang tinggi adalah properti penting untuk mengevaluasi kinerja filter udara. Enam sampel diuji untuk tingkat ventilasi di bawah kondisi yang sama. Area pengukuran adalah 20 cm ² dan tekanan pengukuran adalah 200 Pa.Laju ventilasi dari konsentrasi yang berbeda dari membran nanofiber TPU ditunjukkan pada Gambar. 5a, dan penurunan tekanan yang sesuai adalah 6 Pa, 15 Pa, 12 Pa, 10 Pa, 7 Pa, dan 9 Pa. Tingkat ventilasi membran TPU yang berbeda mulai turun pertama, kemudian mempertahankan peningkatan dan terakhir turun sedikit, sesuai dengan konsentrasi larutan yang meningkat dari 6 menjadi 8 wt%, 8 hingga 14wt%, dan 14 hingga 16 wt%. Ada dua alasan utama untuk mempengaruhi laju ventilasi:kepadatan pengepakan nanofiber dan diameter rata-rata serat [34]. Kepadatan pengepakan nanofiber dihitung sebagai berikut:

Evaluasi tingkat ventilasi membran serat TPU. a Tingkat ventilasi konsentrasi yang berbeda dari membran serat TPU. b –e Udara melewati serat dengan diameter berbeda

Di sini, α adalah kepadatan pengepakan nanofiber, W adalah berat dasar membran nanofiber, ρ _f adalah kepadatan nanomaterial, dan Z adalah ketebalan film nanofiber. Tingkat ventilasi mulai menurun terutama karena penambahan diameter rata-rata nanofiber TPU (Gbr. 5b, c). Ketika konsentrasi TPU meningkat dari 8 menjadi 14 wt%, penurunan kepadatan pengepakan serat nano menyebabkan peningkatan jarak antara serat nano, yang bermanfaat untuk laju ventilasi, meskipun diameter serat nano meningkat (Gbr. 2). 5d). Ketika membran nanofiber dibuat dari larutan dengan konsentrasi TPU 14 sampai 16 wt%, diameter nanofiber memainkan peran penting dalam tingkat ventilasi, dan tingkat ventilasi terkait turun sedikit (Gbr. 5e). Saat konsentrasi TPU meningkat hingga 10 wt%, laju ventilasi hingga 3480 mm/dtk, laju ventilasi yang begitu tinggi setara dengan layar kosong tanpa membran nanofiber.

Analisis Sudut Kontak

Hidrofobisitas merupakan parameter penting untuk mengevaluasi kinerja filter udara, dan keterbasahan membran serat TPU yang diperoleh diukur dengan DSA menggunakan tetesan 5-μL. Hasilnya ditunjukkan pada Gambar. 6a–f, sudut kontaknya adalah 138.6°, 133.4°, 128.5°, 122.8°, 112.7°, dan 107.7°, sesuai dengan TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU- 12, TPU-14, dan TPU-16. Sudut kontak semua sampel lebih besar dari 90°, menunjukkan bahwa filter udara transparan yang dibuat dengan TPU polimer sangat hidrofobik karena gugus fungsi hidrofobik pada permukaan membran nanofiber TPU, diameter serat yang kecil mengarah ke permukaan membran yang halus dan struktur padat membran serat. Namun, ketika konsentrasi TPU menjadi lebih besar, sudut kontak menjadi lebih rendah dan lebih rendah (Gbr. 6g), karena kekasaran permukaan membran serat menjadi lebih besar. Hubungan antara sudut kontak dan kekasaran permukaan membran nanofiber dapat dipahami dengan persamaan Wenzel, yang didefinisikan sebagai berikut:

Karakterisasi sudut kontak membran serat TPU. a–f Menguji sudut kontak dari berbagai konsentrasi membran serat TPU menggunakan tetesan 5-μL. g Sudut kontak dari konsentrasi yang berbeda dari membran serat TPU. h –i Tetesan di permukaan serat dengan diameter berbeda.

Di sini, r adalah faktor kekasaran permukaan, yang merupakan proporsi luas permukaan sebenarnya dengan luas proyeksi geometris ( r 1), θ ^′ adalah sudut kontak permukaan kasar. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6h–i, dengan peningkatan konsentrasi TPU, diameter serat nano TPU meningkat, dan peningkatan kekasaran permukaan membran serat nano, menghasilkan sudut kontak yang semakin rendah.

Pengujian Transparansi dan Reproduksibilitas

Parameter penting lainnya dari filter udara transparan adalah transmisi; transmisi enam sampel diuji dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar. 7a. Ditemukan bahwa transmitansi pertama terus menurun dan kemudian meningkat, sesuai dengan peningkatan konsentrasi TPU dari 6 menjadi 12 wt% dan 12 menjadi 16 wt%. Ketika konsentrasi TPU dari 6 hingga 12 wt%, transmisi membran serat secara bertahap berkurang, terutama karena konsentrasi larutan terlalu rendah di awal (seperti 6 wt% dan 8 wt%), dan proses electrospinning tidak tidak mudah membentuk serat. Ketika konsentrasi larutan meningkat, konsentrasi larutan lebih cocok untuk electrospinning, sehingga semakin banyak serat yang terbentuk dengan electrospinning. Diameter nanofiber juga menjadi lebih besar, dan membran serat menjadi lebih tebal dan lebih tebal, sehingga lebih sedikit cahaya yang dapat melewati membran serat. Di sisi lain, karena konsentrasi larutan terlalu rendah, elektrospinning membentuk sejumlah besar manik-manik (Gbr. 2a-d), yang merugikan cahaya untuk melewati membran serat. Ketika konsentrasi larutan dari 12 sampai 16 wt%, transmisi membran serat secara bertahap meningkat, terutama karena viskositas larutan meningkat, dan proses electrospinning menjadi sulit secara bertahap, sehingga lebih sedikit nanofiber yang dihasilkan. Alasan lain adalah karena konsentrasi larutan meningkat, benang manik-manik menghilang, memberikan lebih banyak cahaya untuk melewati membran serat. Transmisi 80%, 75%, 60%, 30%, 45%, dan 70%, sesuai dengan TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU-12, TPU-14, dan TPU-16. TPU-10 tidak hanya memiliki efisiensi filtrasi 99,654% dan tingkat transmisi setinggi 60%. Gambar 7b menunjukkan foto membran nanofiber TPU-10 dengan transmisi 60%. Untuk filter udara dengan transmisi lebih dari 50%, cahaya yang cukup dapat ditransmisikan melalui ruangan untuk memenuhi persyaratan pencahayaan dalam ruangan.

Sifat transmisi membran serat TPU. a Transmisi dari konsentrasi yang berbeda dari membran serat TPU. b Foto konsentrasi TPU dari filter udara transparan 10 wt% pada transparansi 60%

Mempertimbangkan bahwa kinerja filtrasi jangka panjang dan aliran udara yang tinggi merupakan faktor penting dalam filter udara, kami telah mendaur ulang membran serat TPU dan terus menguji efisiensi filtrasi dan laju ventilasi, dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar 8. Gambar 8a menunjukkan bilah kesalahan untuk efisiensi penghilangan gabungan 10 siklus pengujian filtrasi PM2.5 membran nanofiber TPU. Setelah 10 kali penyaringan TPU-10, efisiensi penyaringan hanya berkurang 1,6% (dari 99,4 menjadi 97,8%). Selain itu, batang kesalahan untuk laju aerasi dari 10 siklus uji untuk membran serat konsentrasi TPU yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 8b. Tingkat ventilasi berubah perlahan dan tidak berkurang secara signifikan. Setelah sepuluh tes napas, laju ventilasi hanya berkurang sekitar 10 mm/s, yang menunjukkan bahwa efek ventilasi sangat stabil.

Reproduksibilitas tingkat ventilasi dan efisiensi penghilangan membran serat komposit. a Reproduksibilitas efisiensi penghilangan. b Reproduksibilitas tingkat ventilasi

Kesimpulan

Singkatnya, kami menggunakan pemintal manik-manik yang berputar untuk elektrospinning untuk membuat filter udara transparan yang dapat diproduksi dalam skala besar. Dengan mengubah konsentrasi polimer TPU dalam larutan, tidak hanya efisiensi penyisihan PM2.5 yang signifikan (99,654%) yang dicapai, tetapi juga transparansi optik yang baik (60%) dan tingkat ventilasi (3480 mm/s) tercapai. Selain itu, dengan melakukan 10 siklus filtrasi dan uji ventilasi gas pada filter udara transparan TPU, hasilnya menunjukkan bahwa efisiensi filtrasi hanya berkurang 1,6%, dan laju ventilasi berubah sangat lambat dan tetap tidak berubah. Hasil ini menunjukkan bahwa membran nanofiber TPU yang dibuat dengan electrospinning memiliki banyak keunggulan seperti ketahanan air yang baik, transparansi optik yang baik, tingkat ventilasi yang tinggi, dan kinerja filtrasi yang tinggi, yang dapat digunakan sebagai bahan filter di banyak bidang.