Нановолокна являются хорошими фильтрами маски для лица, потому что их механическое взаимодействие с аэрозольными частицами дает им большую способность улавливать более 90% вредных частиц, таких как мелкая пыль и вирусосодержащие капли.
Воздействие пандемии COVID-19 еще больше ускорило растущий в последние годы спрос на более качественные маски для лица. Фильтр-маска на основе полимерного нановолокна, который может более эффективно блокировать вредные частицы, также пользуется повышенным спросом, поскольку пандемия продолжается.
Электроспиннинг – распространенный процесс, используемый для получения тонких и однородных полимерных нановолокон, но с точки зрения безопасности, рентабельности и массового производства он имеет несколько недостатков. Метод электроспиннинга требует наличия высоковольтного электрического поля и электропроводящей мишени, что препятствует безопасному и рентабельному массовому производству полимерных нановолокон.
В ответ на этот недостаток было предложено центробежное прядение, использующее центробежную силу вместо высокого напряжения для производства полимерных нановолокон, как более безопасную и более экономичную альтернативу электропрядению. Еще одним преимуществом является легкая масштабируемость, поскольку для этой технологии требуются только вращающаяся фильера и коллектор.
Однако, поскольку существующая технология прядения на основе центробежной силы использует только одну вращающуюся фильеру, производительность ограничена и не намного выше, чем у некоторых передовых технологий электропрядения, таких как «электропрядение с несколькими соплами» и «электропрядение без сопел».’Эта проблема сохраняется даже при увеличении размера фильеры.
Вдохновленная этими ограничениями, исследовательская группа под руководством профессора До Хён Кима из отдела химической и биомолекулярной инженерии KAIST разработала центробежную фильеру с множественным вращением с возможностью массового производства, разделив вращающуюся фильеру на три субдиска. Это исследование было опубликовано на обложке журнала ACS Macro Letters, том 10, выпуск 3, в марте 2021 года.
Используя эту новую центробежную фильеру с множественным вращением с тремя субдисками, ведущий автор статьи, кандидат наук Бён Ын Квак и его коллеги-исследователи Хё Чжон Ю и Ынджун Ли продемонстрировали производство различных полимерных нановолокон в граммах с максимальной производительностью до до 25 граммов в час, что примерно в 300 раз выше, чем у обычной системы электропрядения. Производительность до 25 граммов полимерных нановолокон в час соответствует производительности около 30 фильтров для лицевых масок в день в производственной системе лабораторного масштаба.
Путем интеграции полимерных нановолокон массового производства в форму фильтра-маски исследователи смогли изготовить маски для лица, которые имеют сопоставимые характеристики фильтрации с масками для лица KF80 и KF94, которые в настоящее время доступны на корейском рынке.
Маски KF80 и KF94 были одобрены Министерством безопасности пищевых продуктов и медикаментов Кореи для фильтрации не менее 80% и 94% вредных частиц соответственно.
«Когда масштаб нашей системы будет увеличен с лабораторного до промышленного, станет возможным крупномасштабное производство центробежных мультиспряденных полимерных нановолокон, а стоимость фильтров для лицевых масок на основе полимерных нановолокон также будет значительно снижена», – сказал Квак. объяснил.
Работа поддержана программой Global Singularity Research Program на 2020 г., финансируемой KAIST.