Institutionen för maskinteknik vid Hong Kong Polytechnic University (PolyU) har nyligen utvecklat ett elektrostatiskt laddat nanofiberfilter med flera separatorlager, som kan fånga upp förorenande partiklar som är under 100 nm i diameter (som täcker de vanligaste luftburna nanopartiklarna och virusen). Det nya nanofiberfiltret visar bättre prestanda när det gäller andningsförmåga, filtreringseffektivitet (10 procent högre än det konventionella elektretmikrofiberfiltret), och hållbarhet (upp till 90 dagar).

Nanoaerosoler på 100 nm och mindre i diameter finns överallt i stadsmiljöer, och på grund av sina små storlekar, kan lätt andas in i människokroppar. De flesta luftburna virus, från influensa till epidemiska virus som svininfluensa eller SARS, är också i storleksområdet 100 nm. Det är fortfarande ett utmanande uppdrag för forskare att utveckla ett användarvänligt luftfilter eller mask för effektiv infångning av nanopartiklar och att skydda människor från skadliga luftburna föroreningar och virus som kan påverka hälsan.

Teamet som leds av Ir. Professor Wallace Leung Woon-Fong, Ordförande professor i innovativa produkter och teknologier, använd och testad polyvinylidenfluorid (PVDF), en halvkristallin termoplast som vanligtvis används som isolering på elektriska ledningar, att tillverka nanofiberfilter. Att tillämpa innovativ teknik i Corona Discharge, teamet gav elektrostatiska laddningar på PVDF nanofiber, för att inducera elektrisk interaktion med aerosoler på nära avstånd och fånga aerosoler effektivt.

Jämfört med andra filter tillverkade med laddade mikrofibrer eller oladdade fibrer på marknaden, PolyU:s nya filter har mycket förbättrad filtreringseffektivitet, men utan att tryckfallet ökar över tiden (högre tryckfall betyder ett filter som möter högre luftflödesmotstånd, och därmed mindre andningsbart för maskanvändaren eller minskad flödeshastighet för ett rymdfilter). PVDF nanofibern har visat sig vara stabilt laddad, med laddningseffekt som stannar i nästan tre månader. I tidigare litteratur om laddning av andra nanofibrer, de tilldelade avgifterna försvinner vanligtvis inom en dag.

Laddat PVDF nanofiberfilter

I filtreringstester för aerosoler av olika storlekar utförda av PolyU-teamet, det laddade PVDF nanofiberfiltret visade ett tryckfall på endast 5 Pa (Pascal / tryckenhet) och en filtreringseffektivitet på cirka 54 procent för 100 nm partikeln (dvs efter luftflödet genom filtret, 54 procent av nanopartiklarna på 100 nm i diameter fångas), jämfört med 17 procent av icke-laddat PVDF nanofiberfilter. Det var också en 2,7-faldig ökning av "kvalitetsfaktor" - förhållandet mellan filtreringseffektivitet och tryckfall, eller förhållandet mellan nytta och kostnad. Ju högre kvalitetsfaktor, desto bättre är filtrets prestanda med hänsyn till vikten av både filtrering och andningsförmåga.

Professor Leung sa att virus vanligtvis bär negativa elektrostatiska laddningar, de kan fångas mycket effektivt av de positivt laddade PVDF nanofibrerna. "Filtret eller ansiktsmasken som tillämpar vår innovation skulle därför vara ett idealiskt försvar mot virus under ett utbrott."

Nya flera elektrostatiska separatorskikt

För att ytterligare stärka filtrets elektrostatiska infångningsprestanda, forskargruppen utvecklade konfigurationen av flera elektrostatiska separatorlager – fördelade samma vikt av PVDF-nanofibrer i ett enskiktsfilter i flera filterlager med varje lager isolerat av en separator, för att minska den elektrostatiska interferensen mellan fibrer i intilliggande skikt och öka filtereffektiviteten genom elektrostatisk kraft.

Filtreringstester visade att filtreringseffektiviteten hos filtren med laddade flera elektrostatiska separatorskikt (tester på två, tre och fyra lager) var 39 till 45 procent högre än det laddade filtret utan separatorn. Kvalitetsfaktorn för filtren med laddade flera elektrostatiska separatorskikt var 2 till 3,5 gånger högre än den utan separatorn.

Stabilitet och hållbarhet

Laddning på filtermedium och dess relaterade elektrostatiska effekt kommer att försvinna med tiden. Filterhållbarhetstest visade att PolyU:s nya elektrostatiskt laddade nanofiberfilter med flera separatorlager kunde bibehålla en ihållande hög prestanda under en längre period, 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. In the process, 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.