Bactéries, virus ou substances toxiques largement répandues dans les environnements à température ambiante, véhiculées par des particules ultrafines telles que les PM0,3, constituant une menace pour la santé publique. De plus, les gaz résiduaires industriels à haute température polluent gravement l’environnement. Il existe un besoin urgent de développer des membranes de filtration applicables à la fois aux sources ambiantes contenant des bactéries et aux sources à haute température pour la santé des personnes et l'optimisation de l'environnement. Actuellement, la plupart des membranes de filtration sont confrontées à des goulets d’étranglement techniques, tels qu’une faible durabilité de filtration et une lente industrialisation. Pour résoudre ces problèmes, l'équipe dirigée par l'académicien Xu Weilin de l'Université textile de Wuhan a utilisé la technologie de filage centrifuge. Sans avoir besoin d'un champ électrique externe, le polyimide acquiert spontanément une structure moléculaire polarisée pendant le processus de filage, générant de fortes forces électrostatiques auto-entretenues à la surface des tapis de fibres formés. Grâce à la croissance in situ de nanoparticules d'argent, des propriétés antibactériennes sont dotées, permettant une filtration antibactérienne et à long terme. Cette technique réalise également la préparation en masse de membranes de filtration. Leur travail,"Filtres à air résistants à la chaleur à base de tapis électrostatiques et antibactériens auto-entretenus en fibre de polyimide/argent,"a été publié dans Advanced Functional Materials. Les co-premiers auteurs de l'article sont le Dr Lv Pei de l'Université textile de Wuhan et Ju Zheng, étudiant à la maîtrise de la promotion 2023, avec l'académicien Xu Weilin et le professeur Liu Xin comme auteurs correspondants.

La génération de fortes forces électrostatiques auto-entretenues à la surface des tapis de fibres de polyimide est principalement attribuée au frottement macroscopique et à la polarisation dipolaire microscopique au cours du processus de filage centrifuge. Le frottement entre les fibres et l'air, ainsi qu'entre les fibres, crée un fort champ électrostatique, qui déclenche la polarisation des molécules de polyimide, renforçant ainsi davantage le champ électrostatique. En raison de la haute isolation et des excellentes propriétés diélectriques du polyimide, sa perte électrostatique est minime, ralentissant la dissipation des forces électrostatiques de surface. Par rapport aux films de polyimide obtenus par coulée, les fortes forces électrostatiques ne sont présentes qu'à la surface des tapis de fibres filées par centrifugation. D'autres simulations moléculaires ont confirmé les différents degrés de polarisation des molécules de polyimide obtenues par des méthodes de filage et de coulée centrifuges. L’énergie de liaison hydrogène des tapis de fibres filées par centrifugation et des films coulés était respectivement de 28,54 kJ/mol et 19,50 kJ/mol, ce qui correspond à leur stabilité thermique. De plus, le paramètre de polarité absolue des tapis de fibres filées par centrifugation était supérieur à celui des films coulés, confirmant en outre que le processus de filage centrifuge induit la polarisation des molécules de polyimide, améliorant ainsi la polarité moléculaire.

L'analyse de la morphologie et des propriétés physicochimiques du polyimide et de ses tapis de fibres composites de nanoparticules d'argent montre que la méthode de croissance in situ attache avec succès les nanoparticules d'argent aux tapis de fibres de polyimide. Dans la plage de températures de décomposition thermique de 30 à 350 °C, la perte de poids des nattes de fibres de polyimide/nanoparticules d'argent (PI/Ag) ne dépasse pas 5 % ; les tests de résistance à la chaleur montrent que les fibres PI/Ag conservent leur forme continue même après un traitement thermique à long terme à 280 °C, sans changement significatif du diamètre des fibres. L'excellente stabilité thermique du PI/Ag permet aux filtres à air basés sur ce matériau d'être utilisés pendant de longues périodes à des températures environnementales de 200 à 300 °C.

Le test de performance de filtration du PI/Ag montre que l'efficacité de filtration des PM0,3 d'un tapis de fibres de 260 µm d'épaisseur est de 99,1 %, et pour un tapis de fibres de 180 µm d'épaisseur, elle est de 98,1 %, avec une chute de pression réduite à 73,67 Pa. et une tension électrostatique de surface moyenne de -713 V. En revanche, les tapis de fibres de polyimide commerciaux n'ont qu'une tension électrostatique de surface de -10 V, avec une efficacité de filtration PM0,3 de 58,5 %. La tension électrostatique de surface ultra-élevée et la structure de réseau 3D construite par filage centrifuge améliorent de manière synergique l'efficacité de filtration de l'air du PI/Ag. Après 330 jours, la tension électrostatique de surface du PI/Ag reste toujours supérieure à -700 V, et après 1 heure de traitement à haute température à 280 °C, son efficacité de filtration des PM0,3 reste supérieure à 91,3 %. Par conséquent, PI/Ag peut garantir une faible chute de pression tout en réalisant une filtration à long terme dans des environnements à haute température. Les tests antibactériens montrent que PI/Ag présente une activité antibactérienne significative contre Escherichia coli et Staphylococcus aureus. Par conséquent, le PI/Ag préparé dans cette étude peut être utilisé pour la filtration de l’air de sources bactériennes à température ambiante ainsi que pour la filtration des gaz de combustion de sources industrielles à haute température.

Résumé : Les auteurs ont préparé des tapis de fibres de polyimide antibactériens et résistants aux hautes températures avec de fortes forces électrostatiques auto-entretenues en utilisant la technologie de filage centrifuge, qui, en raison de l'effet des forces électrostatiques auto-entretenues, ont une efficacité de filtration élevée des PM0,3 tout en assurant une faible chute de pression. Ce travail propose une nouvelle approche de la préparation continue à grande échelle de matériaux fibreux de filtration d’air multifonctionnels et efficaces.