고효율 PM2.5 포집을 위한 투명 폴리우레탄 나노섬유 공기 필터

결과 및 토론

형태 및 구조의 특성화

나노섬유의 멤브레인 특성화에서 중요한 경향 중 하나는 멤브레인 표면의 형태입니다. TPU 나노섬유 멤브레인의 형태는 SEM으로 관찰하였으며, 사용된 전압은 10 kV, 스캐닝 이미징 시스템이었다. 그림 2a-f에서 볼 수 있듯이 전기방사 TPU 용액에서 얻은 나노섬유 막의 미세한 형태는 6 wt%, 8 wt%, 10 wt%, 12 wt%, 14 wt% 및 각각 16 wt%. TPU 농도가 6 wt%와 12 wt% 사이일 때(그림 2a-d), 다양한 크기의 구슬 모양 나노섬유가 많이 있습니다. 이것은 TPU 용액의 농도가 낮고 폴리머 TPU 분자 사슬의 점도가 낮기 때문일 수 있습니다. 따라서 저농도 TPU 용액을 전기방사하는 과정에서 전기장력의 신장에 저항하여 토출이 어려웠다[32]. 또한, TPU 분자 사슬의 점탄성으로 인해 전기장력에 의해 늘어난 방출은 응집되어 구슬 모양의 나노섬유를 형성합니다[33]. 그러나 TPU의 농도가 증가함에 따라 용액의 점도가 증가하고 전기방사 공정은 비드로 된 나노섬유 대신 나노섬유를 형성하므로 비드로 된 나노섬유는 점점 줄어들고 결국 완전히 사라집니다(그림 2e-f). 한편, 용액의 점도는 나노섬유의 직경에 영향을 미치는 중요한 매개변수이다[34]. TPU 용액의 농도가 증가하면 용액의 점도도 증가하므로 그림 2a-f와 같이 나노 섬유의 직경이 증가합니다. TPU의 농도가 14 wt%보다 높으면 나노 섬유의 직경이 급격히 증가합니다(그림 2e-f). 나노섬유의 평균 직경은 NanMeasurer에 의해 계산됩니다. 평균 TPU 나노 섬유 직경은 ~ 0.10 μm, ~ 0.12 μm, ~ 0.14 μm, ~ 0.17 μm, ~ 0.34 μm 및 ~ 1.97 μm, TPU-6, TPU-12, TPU-10에 해당합니다. -14 및 TPU-16.

전기방사된 TPU의 SEM 이미지. a–f TPU 농도가 각각 6 wt%, 8 wt%, 10 wt%, 12 wt%, 14 wt%, 16 wt%인 SEM 이미지 및 직경 분포

푸리에 변환 적외선 스펙트럼 분석

제조된 TPU 나노섬유막의 조성을 확인하기 위해서는 시료에 대한 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR) 분석이 필요하다. 먼저 장비를 1시간 30분 동안 예열하고, 압력을 15Mpa로 제어하고, 작동 전압을 220 V로, 주변 온도를 20°C로 제어하고, 주변 습도를 40%로 제어하고, 주파수를 50회입니다. Hz, 전류는 7.5A이다. 테스트 결과는 그림 3과 같으며, 이는 분명히 기질 폴리우레탄의 적외선 스펙트럼과 동일하다. 스펙트럼은 그림 3에 나와 있습니다. 강한 흡수 피크는 파수 3330.18 cm ^-1 에서 관찰되었습니다. , 2960.51 cm ^-1 및 1215.86 cm ^-1 , NH 및 CH 관능기의 존재를 나타냅니다. TPU 나노섬유의 표면은 소수성 작용기를 갖고 있으며 섬유막의 표면은 부드럽고 조밀하다. 따라서 준비된 투명 공기 필터에는 특정 소수성 기능이 있습니다. TPU 섬유 멤브레인의 소수성 특성으로 인해 TPU 투명 에어 필터는 비오는 날 창을 열 수 있습니다.

TPU 나노섬유 멤브레인의 구성. 다양한 작용기의 존재를 나타내는 TPU의 FTIR 시연

여과 효율 분석

여과 효율은 투명 공기 필터를 평가하는 가장 중요한 매개변수입니다. 여과 효율 테스트는 다른 TPU 섬유 멤브레인에 대해 수행되었습니다. 이 연구에서 테스트 조건은 동일하고 온도는 20°C, 상대 습도는 40.6%, 유속은 2.0m ³ 입니다. /h, PM 오염물질은 에어로졸 입자입니다. PM의 입도분포와 각 시료의 여과효과를 Fig. 4a에 나타내었다. 여과 효율은 PM 입자 크기와 양의 상관관계가 있습니다. PM2.5(그림 4b)와 같은 동일한 크기의 PM 입자의 경우 TPU 농도가 6 에서 12 wt%로 증가하면 제거 효율이 크게 증가합니다. 직경이 더 큰 나노섬유는 PM 입자에 저항력이 더 좋습니다. 그러나 TPU 농도가 12중량%에서 16중량%로 증가함에 따라 섬유 사이의 간격이 증가하고 비드 스트링 섬유가 사라지면서 TPU 섬유막의 제거 효율이 크게 감소한다[18]. 용액의 농도가 증가하면 전기방사 제트의 연신이 더 어렵고 느려져 TPU 섬유막의 기공 크기가 증가합니다. 그림 4c-e는 직경이 다른 섬유막을 통한 미립자 물질의 통과를 보여줍니다. 섬유 직경이 클수록 PM이 섬유막을 통과하는 것을 효과적으로 방지하고 TPU 농도가 클수록 섬유 직경이 커지지만 상 섬유 사이의 거리도 커져 여과 효율이 감소합니다. PM2.5의 가장 높은 제거 효율은 TPU-12입니다. 입자 직경이 ≥일 때 0.525 μm, 제거 효율은 100%, 압력 강하는 10 Pa에 불과합니다. 또한 PM2.5의 TPU-10 제거 효율은 99.654%입니다.

TPU 섬유막의 여과효율 평가. 아 TPU 농도가 각각 6 wt%, 8 wt%, 10 wt%, 12 wt%, 14 wt% 및 16 wt%인 다양한 크기의 PM의 효율성을 제거합니다. ㄴ 다양한 농도의 TPU 섬유막에 대한 PM2.5 제거 효율. ㄷ –이 직경이 다른 섬유막을 통한 PM

환기율 분석

높은 환기를 유지하는 것은 공기 필터의 성능을 평가하는 중요한 속성입니다. 6개의 샘플에 대해 동일한 조건에서 환기율을 테스트했습니다. 측정 영역은 20 cm ² 였습니다. 측정압력은 200 Pa로 하였으며, 농도에 따른 TPU 나노섬유막의 환기율은 Fig. 다른 TPU 멤브레인의 환기율은 먼저 떨어지기 시작하여 증가를 유지하고 마지막으로 약간 감소하며, 용액 농도가 6에서 8 wt%, 8에서 14 wt%, 14에서 16 wt%로 증가하는 것에 해당합니다. 환기율에 영향을 미치는 두 가지 주요 이유는 나노섬유 패킹 밀도와 섬유 평균 직경[34]입니다. 나노섬유 패킹 밀도는 다음과 같이 계산됩니다.

TPU 섬유막의 환기율 평가. 아 TPU 섬유막의 농도에 따른 환기율. ㄴ –이 공기는 직경이 다른 섬유를 통과합니다.

여기, α 는 나노섬유 패킹 밀도, W 는 나노섬유 멤브레인의 기본 중량, ρ _f 는 나노물질의 밀도이고, Z 는 나노 섬유 필름 두께입니다. 환기율이 감소하기 시작하는 것은 주로 TPU 나노섬유 평균 직경의 추가로 인해 발생합니다(그림 5b, c). TPU의 농도가 8에서 14 wt%로 증가함에 따라 나노섬유의 패킹 밀도가 감소하면 나노섬유 사이의 거리가 증가하여 나노섬유의 직경이 증가하더라도 환기율에 유리하다(Fig. 5d). TPU 농도가 14 ~ 16 wt%인 용액으로 나노섬유 멤브레인을 만들 경우 나노섬유 직경이 환기율에 중요한 역할을 하며 관련 환기율이 약간 떨어집니다(그림 5e). TPU 농도가 10 wt%로 증가하면 환기율은 최대 3480 mm/s로, 이러한 높은 환기율은 나노섬유 멤브레인이 없는 빈 화면과 같습니다.

접촉각 분석

소수성은 공기 필터의 성능을 평가하는 중요한 매개변수이며, 얻어진 TPU 섬유막의 습윤성은 5μL 액적을 사용하여 DSA에 의해 측정되었습니다. 결과는 그림 6a-f에 나와 있으며, 접촉각은 TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU- 12, TPU-14 및 TPU-16. 모든 샘플의 접촉각은 90° 이상으로, 고분자 TPU로 제조된 투명 공기 필터는 TPU 나노섬유 멤브레인 표면의 소수성 작용기로 인해 소수성이 높으며, 작은 섬유 직경은 멤브레인 표면을 매끄럽게 하고, 섬유막 조밀한 구조. 그러나 TPU의 농도가 높을수록 섬유막 표면의 거칠기가 커지기 때문에 접촉각이 점점 낮아진다(Fig. 6g). 나노섬유 멤브레인의 접촉각과 표면 거칠기 사이의 관계는 다음과 같이 정의되는 Wenzel 방정식으로 이해할 수 있습니다.

TPU 섬유막 접촉각 특성화. a–f 5μL 액적을 사용하여 다양한 농도의 TPU 섬유막의 접촉각을 테스트합니다. 지 농도가 다른 TPU 섬유막의 접촉각. 아 –나 직경이 다른 섬유 표면의 물방울

여기, r 는 표면 거칠기 계수로, 표면의 실제 면적과 기하학적 투영 면적의 비율( r ≥ 1), θ ^′ 거친 표면의 접촉각입니다. 그림 6h-i에서 볼 수 있듯이 TPU 농도가 증가함에 따라 TPU 나노섬유의 직경이 증가하고 나노섬유 멤브레인 표면의 거칠기가 증가하여 접촉각이 점점 낮아집니다.

투명성 및 재현성 테스트

투명 공기 필터의 또 다른 중요한 매개 변수는 전송입니다. 6개 샘플의 투과율을 테스트하고 그 결과를 Fig. 7a에 나타내었다. TPU 농도가 6에서 12 wt%로, 12에서 16 wt%로 증가함에 따라 투과율은 처음에는 계속 감소하다가 증가하는 것으로 나타났습니다. TPU 농도가 6에서 12 wt%일 때, 주로 용액 농도가 초기에 너무 낮기 때문에(6 wt% 및 8 wt%와 같은) 섬유막의 투과율이 점차 감소하고 전기방사 공정이 쉽게 섬유를 형성하지 않습니다. 용액의 농도가 증가하면 용액 농도가 전기방사에 더 적합하므로 전기방사에 의해 점점 더 많은 섬유가 형성됩니다. 나노섬유의 직경도 커지고 섬유막이 두꺼워지고 섬유막을 통과하는 빛이 적어집니다. 반면에 용액의 농도가 너무 낮기 때문에 전기방사는 많은 수의 비드를 형성하여(그림 2a-d) 빛이 섬유막을 통과하는 데 불리합니다. 용액 농도가 12 ~16 wt%일 경우, 주로 용액의 점도가 높아져 전기방사 공정이 점차 어려워져 나노섬유가 덜 생성되기 때문에 섬유막의 투과율이 점차 증가하게 된다. 또 다른 이유는 용액의 농도가 증가함에 따라 구슬 모양의 끈이 사라지고 더 많은 빛이 섬유막을 통과하는 데 기여하기 때문입니다. TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU-12, TPU-14 및 TPU-16에 해당하는 80%, 75%, 60%, 30%, 45% 및 70%의 투과율. TPU-10은 여과 효율이 99.654%일 뿐만 아니라 투과율이 60%에 달합니다. 그림 7b는 투과율이 60%인 TPU-10 나노섬유 멤브레인의 사진을 보여줍니다. 투과율이 50% 이상인 공기 필터의 경우 실내 조명 요구 사항을 충족하기에 충분한 빛이 실내를 통해 투과될 수 있습니다.

TPU 섬유막의 투과 특성. 아 다양한 농도의 TPU 섬유막 투과율. ㄴ 60% 투명도에서 10 wt% 투명 공기 필터의 TPU 농도 사진

공기여과기에서 장기간의 여과성능과 높은 기류가 중요한 요소임을 고려하여 TPU 섬유막을 재활용하여 여과효율과 환기율을 지속적으로 시험하였으며 그 결과를 Fig. 8에 나타내었다. Fig. 8a는 TPU 나노섬유 멤브레인의 PM2.5 여과 테스트 10 주기의 결합된 제거 효율. TPU-10 여과를 10회 통과한 후 여과 효율은 1.6%(99.4에서 97.8%로)만 감소했습니다. 또한, 다른 TPU 농도 섬유막에 대한 10번의 테스트 사이클의 폭기 속도에 대한 오차 막대가 그림 8b에 나와 있습니다. 환기율은 천천히 변했고 크게 감소하지 않았습니다. 10번의 호흡 테스트 후 환기 속도는 약 10 mm/s만 감소하여 환기 효과가 매우 안정적임을 나타냅니다.

복합섬유막의 환기율 및 제거효율의 재현성 아 제거 효율의 재현성. ㄴ 환기율의 재현성

결론

요약하면, 우리는 대규모로 생산할 수 있는 투명한 공기 필터를 만들기 위해 전기방사에 회전하는 비드 방사구를 사용합니다. 용액에서 TPU 폴리머의 농도를 변경하면 상당한 PM2.5 제거 효율(99.654%)이 달성될 뿐만 아니라 우수한 광학 투명도(60%) 및 환기율(3480 mm/s)이 달성됩니다. 또한, TPU 투명 공기 필터에 대해 10 사이클의 여과 및 가스 배출 시험을 수행한 결과, 여과 효율이 1.6% 감소하는 데 그쳤고, 환기율이 매우 느리게 변화하여 거의 변화가 없는 것으로 나타났습니다. 이러한 결과는 전기방사에 의해 제조된 TPU 나노섬유 멤브레인이 우수한 발수성, 우수한 광학적 투명도, 높은 통기성, 높은 여과 성능 등 많은 장점을 가지고 있음을 시사하며, 이는 많은 분야에서 필터 재료로 사용될 수 있다.