Nouveau matériau de filtration d’air biodégradable : Combinaison de non-tissés PLA par soufflage de fusion et de la technique de motif de respiration

Contexte académique

Avec l’aggravation de la pollution atmosphérique, en particulier la menace des particules fines (PM2.5) pour la santé humaine, la demande en matériaux de filtration d’air efficaces ne cesse d’augmenter. Les matériaux de filtration d’air traditionnels reposent principalement sur des matériaux à base de pétrole, tels que le polypropylène (PP), qui ne sont pas biodégradables et causent une pollution environnementale à long terme. Par conséquent, le développement de matériaux de filtration d’air biodégradables, efficaces et durables est devenu un sujet de recherche clé.

L’acide polylactique (Polylactic Acid, PLA), en tant que matériau biosourcé, possède une bonne biodégradabilité et une excellente aptitude à la transformation, ce qui en fait un candidat idéal pour remplacer les matériaux à base de pétrole. Cependant, les non-tissés PLA par soufflage de fusion (Melt-Blown Nonwovens, MN) traditionnels présentent des lacunes en termes de performance de filtration, en particulier leur efficacité de filtration qui dépend principalement de l’effet électrostatique. Cet effet électrostatique s’atténue progressivement lors du stockage et de l’utilisation à long terme, entraînant une baisse des performances de filtration. Par conséquent, les chercheurs cherchent à améliorer les performances des matériaux de filtration à base de PLA en introduisant de nouvelles technologies.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Yintao Zhao, Shuai Zhang, Di Yan, Jinfa Ming, Xuefang Wang et Xin Ning, issus de l’Institut de recherche sur les non-tissés industriels et textiles techniques de l’Université de Qingdao en Chine, ainsi que du Collège de textile et habillement et du Centre d’ingénierie des non-tissés de la province du Shandong. L’article a été publié le 5 janvier 2025 dans la revue Advanced Fiber Materials.

Processus de recherche et conception expérimentale

1. Objectif de la recherche

Cette étude vise à développer un non-tissé à base de PLA (PMBP) avec une structure hiérarchique en combinant la technologie de soufflage de fusion (Melt-Blowing) et la technique de motif de respiration (Breath-Figure, BF), afin d’améliorer ses performances de filtration, en particulier en maintenant une filtration efficace sans dépendre de l’effet électrostatique.

2. Préparation des matériaux

Deux types de PLA ont été utilisés : Revode 210 (indice de fusion de 132 g/10 min, à 230°C) pour la préparation des non-tissés par soufflage de fusion, et Ingeo™ 4032D (masse moléculaire moyenne de 1,56 × 10⁵ g/mol) pour la construction du motif de respiration. Tous les réactifs chimiques et solvants proviennent de Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Shanghai, Chine) et ont été utilisés sans purification.

3. Préparation des non-tissés PLA par soufflage de fusion

Les granulés de PLA ont été séchés sous vide à 80°C pendant 24 heures pour éliminer l’humidité, puis transformés en non-tissés via une machine de soufflage de fusion. Les paramètres du processus comprenaient : vitesse d’extrusion de 22 g/min, température de la filière à 230°C, température de l’air chaud à 240°C, pression de l’air chaud à 0,3 MPa, et distance entre la filière et le collecteur de 15 cm. Les non-tissés PLA par soufflage de fusion (MN) obtenus avaient un poids de base de 45 g/m².

4. Préparation du PMBP

La préparation du PMBP a été réalisée en combinant les non-tissés PLA par soufflage de fusion avec le motif de respiration. Tout d’abord, les granulés de PLA ont été dissous dans l’hexafluoroisopropanol (Hexafluoroisopropanol, HFIP) pour préparer des solutions de PLA à différentes concentrations (0,3 % p/p, 0,4 % p/p, 0,5 % p/p, 0,6 % p/p). Ensuite, la solution de PLA a été appliquée sur un substrat en verre, et le motif de respiration a été formé via un processus dynamique à différentes humidités relatives (40 %, 50 %, 60 %, 70 %). Enfin, les non-tissés PLA par soufflage de fusion humidifiés ont été combinés avec le motif de respiration préformé pour obtenir le PMBP.

5. Caractérisation et tests

La microstructure des échantillons a été observée au microscope électronique à balayage (SEM), avec mesure du diamètre des fibres, de la taille des pores et de l’épaisseur de la section transversale. La viscosité des solutions a été mesurée à l’aide d’un viscosimètre rotatif, et l’angle de contact avec l’eau (WCA) a été déterminé avec un goniomètre. Les performances de filtration ont été testées avec un appareil de test de filtration (AFC-131), en utilisant des particules d’aérosol de chlorure de sodium neutralisées comme polluants PM. La perte de pression (ΔP) et l’efficacité de filtration (E) ont été calculées, et le facteur de qualité (QF) a été utilisé pour évaluer globalement les performances de filtration.

Principaux résultats de la recherche

1. Performances de filtration des non-tissés PLA par soufflage de fusion

Les non-tissés PLA par soufflage de fusion initialement préparés présentaient des pores relativement larges (moyenne de 13,2 μm), ce qui entraînait une faible efficacité de filtration des PM2.5 (59,5 %), mais une faible perte de pression (25,7 Pa).

2. Optimisation du motif de respiration

Dans des conditions optimales (concentration de PLA à 0,5 % p/p, humidité relative à 50 %), le motif de respiration a formé une structure microporeuse uniforme, avec une taille moyenne des pores de 1,02 μm. La combinaison des non-tissés PLA à pores larges et du motif de respiration à petits pores a permis au PMBP d’atteindre une efficacité de filtration des PM2.5 de 95,8 %, avec une perte de pression de 39,3 Pa.

3. Stabilité des performances de filtration

Le PMBP a maintenu des performances de filtration stables lors d’un stockage à long terme et dans des environnements à forte humidité. Lors des tests de fumée réelle, le PMBP a éliminé plus de 99 % des particules PM2.5 en 3 minutes, sans dépendre de l’effet électrostatique.

4. Propriétés autonettoyantes

Le PMBP a démontré de bonnes propriétés autonettoyantes, en maintenant une filtration efficace même dans des environnements à forte humidité.

Conclusion et implications

Cette étude a permis de développer avec succès un non-tissé à base de PLA (PMBP) avec une structure hiérarchique en combinant la technologie de soufflage de fusion et la technique de motif de respiration. Le PMBP maintient une filtration efficace sans dépendre de l’effet électrostatique, grâce à sa structure hiérarchique, en particulier l’introduction du motif de respiration à petits pores, qui améliore significativement l’efficacité de filtration. De plus, le PMBP montre une stabilité de filtration à long terme et dans des environnements à forte humidité, ainsi que de bonnes capacités autonettoyantes.

Cette recherche ouvre de nouvelles perspectives pour le développement de matériaux de filtration d’air entièrement biosourcés et performants, avec des applications prometteuses dans la gestion de la pollution de l’air et la protection individuelle.

Points forts de la recherche

1. Conception de structure hiérarchique : La combinaison des non-tissés par soufflage de fusion et du motif de respiration permet une construction de porosité multi-échelle, améliorant significativement l’efficacité de filtration.
2. Indépendance de l’effet électrostatique : Les performances de filtration du PMBP ne dépendent pas de l’effet électrostatique, évitant ainsi l’atténuation de la charge électrostatique lors du stockage à long terme.
3. Stabilité et propriétés autonettoyantes : Le PMBP maintient des performances de filtration stables dans des environnements à forte humidité et lors d’un stockage à long terme, avec de bonnes capacités autonettoyantes.
4. Biodégradabilité : La biodégradabilité complète du matériau PLA rend ce matériau de filtration respectueux de l’environnement, répondant aux besoins de développement durable.

Autres informations utiles

Cette étude a également exploré en détail, grâce à des calculs théoriques et des validations expérimentales, l’impact du choix du solvant, de la concentration en polymère et de l’humidité relative sur la formation du motif de respiration, fournissant ainsi des références importantes pour des recherches similaires. De plus, une méthode de préparation simple, à faible coût et facilement extensible a été développée, offrant des possibilités de production à grande échelle.