Le département de génie mécanique de l'Université polytechnique de Hong Kong (PolyU) a récemment développé un filtre en nanofibres chargé électrostatiquement avec plusieurs couches de séparation, capable de capter les particules polluantes d'un diamètre inférieur à 100 nm (couvrant les nanoparticules et virus en suspension dans l'air les plus courants). Le nouveau filtre en nanofibres affiche de meilleures performances en termes de respirabilité, efficacité de filtration (10 % supérieure au filtre microfibre électret classique), et la durée de conservation (jusqu'à 90 jours).

Des nano-aérosols de 100 nm et moins de diamètre existent partout en milieu urbain, et en raison de leurs petites tailles, peut être facilement inhalé dans le corps humain. La plupart des virus en suspension dans l'air, de la grippe aux virus épidémiques comme la grippe porcine ou le SRAS, sont également de l'ordre de 100 nm. Développer un filtre à air ou un masque convivial pour une capture efficace des nanoparticules et pour protéger les personnes contre les contaminants atmosphériques nocifs et les virus qui peuvent affecter la santé reste une mission difficile pour les scientifiques.

L'équipe dirigée par Ir. Professeur Wallace Leung Woon-Fong, Professeur titulaire des Produits et Technologies Innovants, fluorure de polyvinylidène (PVDF) utilisé et testé, un thermoplastique semi-cristallin couramment utilisé comme isolant sur les fils électriques, pour fabriquer des filtres en nanofibres. Application d'une technologie innovante dans la décharge corona, l'équipe a transmis des charges électrostatiques à des nanofibres de PVDF, pour induire une interaction électrique avec les aérosols à courte distance et capturer efficacement les aérosols.

En comparaison avec d'autres filtres fabriqués avec des microfibres chargées ou des fibres non chargées sur le marché, Le nouveau filtre de PolyU a une efficacité de filtration bien améliorée, mais sans augmenter la perte de charge au fil du temps (une perte de charge plus élevée signifie un filtre confronté à une résistance au flux d'air plus élevée, et donc moins respirant pour l'utilisateur du masque ou débit réduit pour un filtre spatial). La nanofibre de PVDF s'est avérée être chargée de manière stable, avec effet de charge restant pendant près de trois mois. Dans les littératures antérieures sur le chargement d'autres nanofibres, les charges transmises se dissipent généralement en une journée.

Filtre nanofibre PVDF chargé

Dans les tests de filtration d'aérosols de différentes tailles menés par l'équipe PolyU, le filtre à nanofibres PVDF chargé a démontré une chute de pression de seulement 5 Pa (Pascal / unité de pression) et une efficacité de filtration d'environ 54 pour cent pour la particule de 100 nm (c'est-à-dire après le flux d'air à travers le filtre, 54 pour cent des nanoparticules de 100 nm de diamètre étant piégées), comparé à 17 pour cent de filtre à nanofibres PVDF non chargé. Le « facteur de qualité » a également été multiplié par 2,7 - le rapport de l'efficacité de la filtration sur la chute de pression, ou le rapport avantages-coûts. Plus le facteur de qualité est élevé, meilleure est la performance du filtre compte tenu de l'importance de la filtration et de la respirabilité.

Le professeur Leung a déclaré que les virus portent généralement des charges électrostatiques négatives, ils peuvent être capturés très efficacement par les nanofibres de PVDF chargées positivement. "Le filtre ou le masque facial appliquant notre innovation serait donc une défense idéale contre le virus lors d'une épidémie."

Nouvelles couches de séparation électrostatique multiples

Pour renforcer encore les performances de capture électrostatique du filtre, l'équipe de recherche a développé la configuration de plusieurs couches séparatrices électrostatiques, répartissant le même poids de nanofibres de PVDF dans un filtre monocouche en plusieurs couches filtrantes, chaque couche étant isolée par un séparateur, afin de réduire l'interférence électrostatique entre les fibres des couches adjacentes et d'augmenter l'efficacité du filtre par la force électrostatique.

Les tests de filtration ont montré que l'efficacité de filtration des filtres avec plusieurs couches de séparation électrostatique chargées (tests sur deux, trois et quatre couches) étaient de 39 à 45 % plus élevés que le filtre chargé sans le séparateur. Le facteur de qualité des filtres avec plusieurs couches de séparation électrostatique chargées était 2 à 3,5 fois supérieur à celui sans séparateur.

Stabilité et durabilité

La charge sur le média filtrant et son effet électrostatique associé se dissiperont avec le temps. Le test de durabilité du filtre a prouvé que le nouveau filtre en nanofibres chargé électrostatiquement de PolyU avec plusieurs couches de séparation pouvait maintenir des performances élevées et persistantes pendant une période prolongée, et est donc plus durable et peut stocker plus longtemps.

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. Dans le processus, 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.