Analiza i optymalizacja procesu aktywacji elektrostatycznej nowoczesnych filtracyjnych kompozytów polimerowych stosowanych w sprzęcie ochrony układu oddechowego

Celem 2. etapu realizacji zadania była optymalizacja procesu wytwarzania elektretowych nowoczesnych kompozytów polimerowych pod kątem poprawy stabilności ładunku elektrostatycznego w czasie na podstawie przewidywań teoretycznych dotyczących zaniku ładunku elektrycznego we włókninie.

Analiza symulacji numerycznych wskazywała na dominującą rolę wpływu mechanizmów dyfuzyjnego i bezpośredniego zaczepienia w procesie depozycji nanocząstek na powierzchni włókien elementarnych. Prace teoretyczne obejmowały także analizę wpływu parametrów strukturalnych włóknin i warunków badań skuteczności filtracji na efektywność i trwałość właściwości ochronnych wytworzonych materiałów kompozytowych.

Prace realizowane w ramach 2. etapu podzielono na część teoretyczną, związaną z modelowaniem procesu filtracji, oraz część doświadczalną, związaną z wyborem optymalnych parametrów włóknin kompozytowych pod kątem poprawy stabilności ich właściwości ochronnych
w czasie.

Zakres przeprowadzonych badań teoretycznych obejmował omówienie klasycznej teorii filtracji w kontekście ograniczeń jej stosowalności do oceny skuteczności filtracji cząstek aerozoli o rozmiarach nanometrycznych. Następnie zdefiniowano zbiór parametrów wejściowych i założeń stanowiących podstawę konstrukcji nowego modelu i przeprowadzono szereg symulacji numerycznych z zastosowaniem metody regresji nieliniowej. Celem przeprowadzonych obliczeń było wskazanie mechanizmów mających dominujący wpływ na wartość wskaźnika penetracji rozważanych włóknin. Przeprowadzono analizę wpływu parametrów strukturalnych włóknin
i warunków prowadzenia badań na efektywność i trwałość właściwości ochronnych wytworzonych materiałów kompozytowych. Na podstawie przeprowadzonej analizy zaproponowano nowy model umożliwiający określenie wpływu średnicy włókien, masy powierzchniowej i grubości włókniny, gęstości zastosowanego polimeru oraz temperatury i prędkości przepływu filtrowanego aerozolu na wartość wskaźnika penetracji.

Następnie przeprowadzono falsyfikację zaproponowanego modelu z zastosowaniem danych doświadczalnych uzyskanych podczas badań wskaźnika penetracji włóknin kompozytowych zawierających nanonapełniacz POSS. Wyniki modelowe odniesiono również do przewidywań wynikających z klasycznej teorii filtracji.

Zadanie badawcze III-47.

Przewidywania modelu teoretycznego w zakresie penetracji nanocząstek chlorku sodu

Zadanie badawcze III-47. Fotografie SEM wybranych wariantów włóknin kompozytowych

Rozważania teoretyczne pozwoliły na określenie kryteriów wyboru wariantu włóknin kompozytowych optymalnego pod względem trwałości i jakości parametrów ochronnych, którego dokonano na podstawie badań struktury i średnicy włókien, składu ich powierzchni, porowatości i właściwości termicznych włóknin, natężenia pola elektrycznego pochodzącego od ładunku zgromadzonego na powierzchni opracowanych materiałów oraz ich właściwości ochronnych
i użytkowych po symulacji warunków użytkowania, kondycjonowaniu termicznym i przechowywaniu.

Przeprowadzone badania umożliwiły wskazanie wariantu zawierającego 1% dodatku nanonapełniacza POSSS jako optymalnego wariantu włóknin kompozytowych, charakteryzującego się dobrymi właściwościami użytkowymi i ochronnymi oraz niewielką wrażliwością na działanie czynników zewnętrznych mogących mieć wpływ na ich pogorszenie w czasie.

Wyniki 2. etapu zdania przedstawiono w publikacji w czasopiśmie o zasięgu międzynarodowym i w rozdziale w monografii o zasięgu międzynarodowym oraz zaprezentowano na międzynarodowej konferencji.