O Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Politécnica de Hong Kong (PolyU) desenvolveu recentemente um filtro de nanofibra eletrostaticamente carregado com várias camadas separadoras, que pode capturar partículas poluentes abaixo de 100 nm de diâmetro (cobrindo as nanopartículas e vírus mais comuns no ar). O novo filtro de nanofibra demonstra melhor desempenho em termos de respirabilidade, eficiência de filtração (10 por cento maior do que o filtro de microfibra de eletreto convencional), e prazo de validade (até 90 dias).

Nanoaerossóis de 100 nm e abaixo de diâmetro existem em todos os lugares em ambientes urbanos, e em virtude de seus pequenos tamanhos, pode ser facilmente inalado em corpos humanos. A maioria dos vírus transportados pelo ar, de influenza a vírus epidêmicos como a gripe suína ou SARS, também estão na faixa de tamanho de 100 nm. Continua a ser uma missão desafiadora para os cientistas desenvolver um filtro de ar ou máscara de fácil utilização para a captura eficaz de nanopartículas e para proteger as pessoas de contaminantes aéreos nocivos e vírus que podem afetar a saúde.

A equipe liderada por Ir. Professor Wallace Leung Woon-Fong, Professor titular de produtos e tecnologias inovadoras, fluoreto de polivinilideno (PVDF) usado e testado, um termoplástico semicristalino comumente usado como isolamento em fios elétricos, para fabricar filtros de nanofibras. Aplicando tecnologia inovadora na Descarga Corona, a equipe transmitiu cargas eletrostáticas para nanofibras de PVDF, para induzir interação elétrica com aerossóis em distâncias curtas e capturar os aerossóis de forma eficiente.

Comparando com outros filtros feitos com microfibras carregadas ou fibras não carregadas no mercado, O novo filtro da PolyU tem eficiência de filtragem muito aprimorada, ainda sem aumentar a queda de pressão ao longo do tempo (maior queda de pressão significa um filtro voltado para maior resistência ao fluxo de ar, e, portanto, sendo menos respirável para o usuário da máscara ou taxa de fluxo reduzida para um filtro espacial). A nanofibra PVDF provou ser carregada de forma estável, com efeito de carga permanecendo por quase três meses. Em literatura anterior sobre o carregamento de outras nanofibras, as cargas transmitidas geralmente se dissipam em um dia.

Filtro de nanofibra PVDF carregado

Em testes de filtração para aerossóis de vários tamanhos conduzidos pela equipe da PolyU, o filtro de nanofibra PVDF carregado demonstrou queda de pressão de apenas 5 Pa (Pascal / unidade de pressão) e uma eficiência de filtração de cerca de 54 por cento para a partícula de 100 nm (ou seja, após o fluxo de ar através do filtro, 54 por cento das nanopartículas de 100 nm de diâmetro sendo aprisionadas), em comparação com 17 por cento do filtro de nanofibra PVDF não carregado. Houve também um aumento de 2,7 vezes no "fator de qualidade" - a proporção da eficiência de filtração sobre a queda de pressão, ou a relação benefício-custo. Quanto maior o fator de qualidade, melhor é o desempenho do filtro, levando em consideração a importância da filtração e da respirabilidade.

O professor Leung disse que, como os vírus geralmente carregam cargas eletrostáticas negativas, eles podem ser capturados de forma muito eficaz pelas nanofibras de PVDF carregadas positivamente. "O filtro ou máscara facial que aplica nossa inovação seria, portanto, uma defesa ideal contra vírus durante um surto."

Novas camadas separadoras eletrostáticas múltiplas

Para fortalecer ainda mais o desempenho de captura eletrostática do filtro, a equipe de pesquisa desenvolveu a configuração de várias camadas separadoras eletrostáticas - distribuindo o mesmo peso de nanofibras de PVDF em um filtro de camada única em várias camadas de filtro, com cada camada isolada por um separador, a fim de reduzir a interferência eletrostática entre as fibras das camadas adjacentes e aumentar a eficiência do filtro por força eletrostática.

Os testes de filtração mostraram que a eficiência de filtração dos filtros com múltiplas camadas separadoras eletrostáticas carregadas (testes em dois, três e quatro camadas) foram 39 por cento a 45 por cento maiores do que o filtro carregado sem o separador. O fator de qualidade dos filtros com múltiplas camadas separadoras eletrostáticas carregadas foi de 2 a 3,5 vezes maior do que aquele sem o separador.

Estabilidade e durabilidade

A carga no meio filtrante e seu efeito eletrostático relacionado se dissiparão com o tempo. O teste de durabilidade do filtro provou que o novo filtro de nanofibra eletrostaticamente carregado da PolyU com várias camadas separadoras pode manter um desempenho persistentemente alto por um período prolongado, 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. No processo, 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.