Les scientifiques créent une respiration

Jun 11, 2023

16 février 2023

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par l'Université de la ville de Hong Kong

L'adsorption électrostatique est un complément important à la filtration mécanique pour un filtrage de l'air à haute efficacité lors de l'utilisation de masques faciaux. Cependant, la charge électrostatique des filtres diminue avec le temps, en particulier dans des conditions humides.

Une équipe de recherche de la City University of Hong Kong (CityU) a conçu avec succès un masque facial électrostatique à charge respiratoire qui peut "s'auto-charger" par la respiration de l'utilisateur et reconstituer en continu sa charge électrostatique lorsque l'utilisateur porte et respire à travers le masque. Cela augmente considérablement les performances de filtrage en cas d'utilisation prolongée du masque jusqu'à 60 heures, contre quatre heures pour un masque chirurgical classique. Cela profite également à l'environnement.

Les masques faciaux sont une méthode simple et économique pour prévenir le COVID-19 et d'autres maladies transmises par l'air. La plupart des masques faciaux ont trois couches fonctionnelles : une couche centrale en polypropylène soufflé à l'état fondu (PP) comme milieu filtrant et deux tissus non tissés filés-liés (généralement PP ou polyéthylène (PE)) comme couches de support, y compris une couche hydrophile, portée vers l'intérieur , pour absorber l'humidité de la respiration et une couche hydrophobe, portée vers l'extérieur, pour repousser les fluides.

L'électrofilature offre une meilleure filtration mécanique que la technologie de fusion-soufflage largement utilisée dans l'industrie. Mais la filtration mécanique seule n'offre pas une protection suffisante. Une solution consiste à introduire un champ électrique pour conférer au média filtrant une charge électrostatique, ce qui facilite le piégeage des particules ultrafines. Cependant, l'efficacité de l'adsorption électrostatique diminue avec le temps, en particulier dans un environnement humide lorsque l'humidité est exhalée lors de la respiration.

"Bien que de nombreux rapports travaillent sur la reconstitution de la charge pour une efficacité d'adsorption électrostatique de longue durée, une source d'alimentation supplémentaire est généralement nécessaire, ce qui est encombrant et peu pratique", a expliqué le Dr Yang Zhengbao, professeur agrégé au Département de génie mécanique et au Département de Science et génie des matériaux à CityU, qui a dirigé la recherche. "Nous avons développé un filtre à air efficace, durable et peu coûteux qui peut continuellement reconstituer la charge électrostatique de manière auto-rechargeable."

L'équipe de recherche a introduit un filtre à air auto-chargeant (SAF), qui exploite l'effet triboélectrique et permet une élimination efficace et prolongée des particules en suspension dans l'air. En prenant en sandwich le milieu filtrant en nanofibres de fluorure de polyvinylidène (PVDF) électrofilé entre deux couches de tissu en nylon triboélectrique, le SAF génère en continu des charges électrostatiques excitées par la respiration. En conséquence, le SAF offre des performances durables d'élimination des particules, maintenant une efficacité élevée de 95,8 % après 60 heures de test (dont 30 heures de port).

"Alors que la couche intermédiaire va et vient entre les couches latérales avec respiration, un transfert de charge se produit entre le PVDF et le nylon en raison de leur grande différence d'affinité électronique, ce qui entraîne une charge négative de la couche de PVDF et une charge positive des couches de nylon", a expliqué Dr Yang. "Ce processus d'auto-charge permet la reconstitution continue des charges électrostatiques et une adsorption électrostatique prolongée."

Le coût des matières premières du SAF pour la fabrication d'un masque est aussi bas que 0,47 $ HK, ce qui en fait l'option la plus rentable parmi les masques couramment utilisés, tels que les masques chirurgicaux, N95, KF94 et KN95.

Les résultats ont été publiés dans Nature Communications.

Cette stratégie prometteuse d'auto-charge pour tirer parti de l'effet triboélectrique ouvre une nouvelle voie pour le développement de techniques de filtrage de l'air à haut rendement et à longue durée de vie.

"Il est suggéré de changer les masques chirurgicaux toutes les quatre heures dans un environnement à haut risque, mais le grand nombre de masques jetés entraîne de graves problèmes environnementaux", a déclaré le Dr Yang. "Nous nous attendons à ce que cette stratégie d'auto-charge prolonge considérablement la durée de vie des masques faciaux, améliore l'efficacité de la protection contre le coronavirus et réduise la charge environnementale causée par les masques jetés."

La recherche a également établi une relation quantitative entre l'efficacité de filtration et le potentiel électrostatique de surface, ce qui est important pour une production industrielle standardisée à haut rendement.

Plus d'information: Zehua Peng et al, Masques faciaux électrostatiques auto-chargeables tirant parti de la triboélectrification pour une filtration prolongée de l'air, Nature Communications (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-35521-w