Centrifugale multispun nanovezels geven een nieuwe draai aan COVID-19-maskers

KAIST-onderzoekers hebben een nieuwe productietechniek voor nanovezels ontwikkeld, ‘centrifugale multispinning’ genaamd, die de deur zal openen voor de veilige en kosteneffectieve massaproductie van hoogwaardige polymere nanovezels. Deze nieuwe techniek, die een 300 keer hogere nanovezelproductiesnelheid per uur heeft aangetoond dan die van de conventionele elektrospinmethode, heeft veel potentiële toepassingen, waaronder de ontwikkeling van gezichtsmaskerfilters voor coronavirusbescherming.

Nanovezels zijn goede gezichtsmaskerfilters omdat hun mechanische interacties met aerosoldeeltjes ervoor zorgen dat ze meer dan 90% van de schadelijke deeltjes zoals fijnstof en virushoudende druppeltjes kunnen vangen.

De impact van de COVID-19-pandemie heeft de groeiende vraag naar een beter soort gezichtsmasker de laatste jaren verder versneld. Naarmate de pandemie voortduurt, is er ook meer vraag naar een maskerfilter op basis van polymeer nanovezels dat effectiever schadelijke deeltjes kan blokkeren.

‘Elektrospinnen’ is een veelgebruikt proces dat wordt gebruikt om fijne en uniforme polymere nanovezels te bereiden, maar in termen van veiligheid, kosteneffectiviteit en massaproductie heeft het verschillende nadelen. De elektrospinmethode vereist een elektrisch hoogspanningsveld en een elektrisch geleidend doel. , en dit belemmert de veilige en kosteneffectieve massaproductie van polymere nanovezels.

Als reactie op deze tekortkoming wordt ‘centrifugaal spinnen’ dat gebruikmaakt van centrifugaalkracht in plaats van hoogspanning om polymere nanovezels te produceren, voorgesteld als een veiliger en kosteneffectiever alternatief voor het elektrospinnen. Eenvoudige schaalbaarheid is een ander voordeel, aangezien deze technologie alleen een roterende spindop en een opvangbak vereist.

Aangezien de bestaande op centrifugale kracht gebaseerde spintechnologie echter slechts één roterende spindop gebruikt, is de productiviteit beperkt en niet veel hoger dan die van sommige geavanceerde elektrospintechnologieën zoals ‘multi-nozzle electrospinning’ en ‘nozzleless electrospinning’. Dit probleem blijft zelfs bestaan. wanneer de grootte van de spindop wordt vergroot.

Geïnspireerd door deze beperkingen ontwikkelde een onderzoeksteam onder leiding van professor Do Hyun Kim van de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering bij KAIST een centrifugale multispinning-spindop met massaproduceerbaarheid, door een roterende spindop in drie subschijven te verdelen. Deze studie is gepubliceerd als een voorbladartikel van ACS-macrobrieven, Jaargang 10, nummer 3, maart 2021.

Met behulp van deze nieuwe centrifugale multispinning-spindop met drie subschijven, heeft de hoofdauteur van de paper Ph.D. kandidaat Byeong Eun Kwak en zijn collega-onderzoekers Hyo Jeong Yoo en Eungjun Lee toonden de productie op gramschaal van verschillende polymere nanovezels aan met een maximale productiesnelheid van maximaal 25 gram per uur, wat ongeveer 300 keer hoger is dan die van het conventionele electrospinning-systeem . De productiesnelheid van maximaal 25 gram polymere nanovezels per uur komt overeen met de productiesnelheid van ongeveer 30 gezichtsmaskerfilters per dag in een productiesysteem op laboratoriumschaal.

Door de in massa geproduceerde polymere nanovezels te integreren in de vorm van een maskerfilter, konden de onderzoekers gezichtsmaskers vervaardigen die vergelijkbare filtratieprestaties hebben als de KF80- en KF94-gezichtsmaskers die momenteel verkrijgbaar zijn op de Koreaanse markt. De maskers KF80 en KF94 zijn goedgekeurd door het Koreaanse Ministerie van Voedsel- en Drugsveiligheid om respectievelijk ten minste 80% en 94% van de schadelijke deeltjes uit te filteren.

“Wanneer ons systeem wordt opgeschaald van laboratoriumschaal naar industriële schaal, zal de grootschalige productie van centrifugale multispun polymeer nanovezels mogelijk worden gemaakt, en zullen de kosten van op polymeer nanovezel gebaseerde gezichtsmaskerfilters ook drastisch worden verlaagd”, aldus Kwak uitgelegd.