تنتشر البكتيريا أو الفيروسات أو المواد السامة على نطاق واسع في البيئات ذات درجات الحرارة المحيطة، وتحملها جسيمات متناهية الصغر مثل PM0.3، مما يشكل تهديدًا للصحة العامة. بالإضافة إلى ذلك، فإن غازات النفايات الصناعية ذات الحرارة العالية تلوث البيئة بشدة. هناك حاجة ملحة لتطوير أغشية الترشيح التي تنطبق على كل من المصادر المحيطة التي تحتوي على البكتيريا ومصادر درجات الحرارة العالية من أجل صحة الناس وتحسين البيئة. حاليًا، تواجه معظم أغشية الترشيح اختناقات تقنية، مثل ضعف متانة الترشيح وبطء التقدم في التصنيع. ولمعالجة هذه المشكلات، استخدم الفريق بقيادة الأكاديمي شو ويلين في جامعة ووهان للنسيج تكنولوجيا الغزل بالطرد المركزي. دون الحاجة إلى مجال كهربائي خارجي، يكتسب البوليميد تلقائيًا بنية جزيئية مستقطبة أثناء عملية الغزل، مما يولد قوى إلكتروستاتيكية قوية مكتفية ذاتيًا على سطح حصائر الألياف المشكلة. ومن خلال نمو جسيمات الفضة النانوية في الموقع، يتم اكتساب خصائص مضادة للبكتيريا، مما يحقق ترشيحًا مضادًا للبكتيريا وطويل الأمد. تحقق هذه التقنية أيضًا الإعداد الشامل لأغشية الترشيح. عملهم،"مرشحات هواء مقاومة للحرارة تعتمد على حصائر بوليميد/ألياف فضية إلكتروستاتيكية ذاتية الاستدامة ومضادة للبكتيريا،"تم نشره في المواد الوظيفية المتقدمة. المؤلفون الأوائل المشاركون في الورقة هم الدكتور المستوى باي من جامعة ووهان الغزل والنسيج وJu تشنغ، طالب الماجستير من دفعة 2023، مع الأكاديمي شو ويلين والبروفيسور ليو شين كمؤلفين مناظرين.

يُعزى توليد قوى إلكتروستاتيكية قوية مكتفية ذاتيًا على سطح حصائر ألياف البوليميد بشكل أساسي إلى الاحتكاك العياني والاستقطاب ثنائي القطب المجهري أثناء عملية الغزل بالطرد المركزي. يؤدي الاحتكاك بين الألياف والهواء، وكذلك بين الألياف، إلى إنشاء مجال إلكتروستاتيكي قوي، مما يؤدي إلى استقطاب جزيئات البوليميد، وبالتالي تعزيز المجال الكهروستاتيكي. نظرًا للعزل العالي والخصائص العازلة الممتازة للبوليميد، فإن فقدانه الكهروستاتيكي يكون ضئيلًا، مما يبطئ تبديد القوى الكهروستاتيكية السطحية. بالمقارنة مع أفلام البوليميد التي تم الحصول عليها عن طريق الصب، فإن القوى الكهروستاتيكية القوية موجودة فقط على سطح حصائر الألياف المغزولة بالطرد المركزي. أكدت عمليات المحاكاة الجزيئية الإضافية درجات الاستقطاب المختلفة لجزيئات البوليميد التي تم الحصول عليها عن طريق طرق الغزل والصب بالطرد المركزي. كانت طاقة الرابطة الهيدروجينية لحصائر الألياف المغزولة بالطرد المركزي والأغشية المصبوبة 28.54 كيلوجول/مول و19.50 كيلوجول/مول، على التوالي، بما يتوافق مع ثباتها الحراري. علاوة على ذلك، كانت معلمة القطبية المطلقة لحصائر الألياف المغزولة بالطرد المركزي أعلى من تلك الموجودة في الأفلام المصبوبة، مما يؤكد أيضًا أن عملية الغزل بالطرد المركزي تؤدي إلى استقطاب جزيئات البوليميد، مما يعزز القطبية الجزيئية.

يوضح تحليل الخصائص المورفولوجية والفيزيائية والكيميائية للبوليميد وحصائر الألياف المركبة المصنوعة من الجسيمات النانوية الفضية أن طريقة النمو في الموقع تنجح في ربط الجسيمات النانوية الفضية بحصائر ألياف البوليميد. ضمن نطاق درجة حرارة التحلل الحراري الذي يتراوح بين 30-350 درجة مئوية، لا يتجاوز فقدان الوزن لحصائر ألياف البوليميد/الجسيمات النانوية الفضية (باي/اي جي) 5%؛ تظهر اختبارات مقاومة الحرارة أن ألياف باي/اي جي تحافظ على شكلها المستمر حتى بعد المعالجة الحرارية طويلة الأمد عند 280 درجة مئوية، دون أي تغيير كبير في قطر الألياف. يسمح الثبات الحراري الممتاز لـ باي/اي جي باستخدام مرشحات الهواء المعتمدة على هذه المادة لفترات طويلة عند درجات حرارة بيئية تتراوح بين 200-300 درجة مئوية.

يُظهر اختبار أداء الترشيح لـ باي/اي جي أن كفاءة الترشيح لـ PM0.3 لحصيرة ألياف بسمك 260 ميكرومتر تبلغ 99.1%، وبالنسبة لحصيرة ألياف بسمك 180 ميكرومتر، تبلغ 98.1%، مع انخفاض انخفاض الضغط إلى 73.67 باسكال ، ومتوسط ​​جهد إلكتروستاتيكي سطحي يبلغ -713 فولت. وفي المقابل، تحتوي حصائر ألياف البوليميد التجارية فقط على جهد إلكتروستاتيكي سطحي يبلغ -10 فولت، مع كفاءة ترشيح PM0.3 تبلغ 58.5%. يعمل الجهد الكهروستاتيكي السطحي العالي للغاية وهيكل الشبكة ثلاثي الأبعاد الذي تم إنشاؤه بواسطة دوران الطرد المركزي على تعزيز كفاءة تنقية الهواء لـ باي/اي جي. بعد 330 يومًا، يظل الجهد الكهروستاتيكي السطحي لـ باي/اي جي أعلى من -700 فولت، وبعد ساعة واحدة من المعالجة بدرجة حرارة عالية عند 280 درجة مئوية، تظل كفاءة الترشيح لـ PM0.3 أعلى من 91.3%. لذلك، يمكن لـ باي/اي جي ضمان انخفاض الضغط المنخفض مع تحقيق ترشيح طويل المدى في البيئات ذات درجة الحرارة العالية. تظهر الاختبارات المضادة للبكتيريا أن باي/اي جي يُظهر نشاطًا مضادًا للبكتيريا بشكل كبير ضد الإشريكية القولونية والمكورات العنقودية الذهبية. ولذلك، يمكن استخدام باي/اي جي المعد في هذه الدراسة لتنقية الهواء من المصادر البكتيرية في درجة حرارة الغرفة وكذلك ترشيح غاز المداخن ذو درجة الحرارة العالية الصناعية.

ملخص: قام المؤلفون بإعداد حصائر ألياف بوليميد مضادة للبكتيريا ومقاومة لدرجات الحرارة العالية مع قوى إلكتروستاتيكية قوية ذاتية الاستدامة باستخدام تقنية الغزل بالطرد المركزي، والتي، بسبب تأثير القوى الكهروستاتيكية ذاتية الاستدامة، تتمتع بكفاءة ترشيح عالية PM0.3 مع ضمان انخفاض الضغط المنخفض. يوفر هذا العمل نهجًا جديدًا للتحضير المستمر واسع النطاق لمواد ألياف تنقية الهواء متعددة الوظائف والفعالة.