与传统静电纺丝方法相比,该方法每小时的纳米纤维生产速度提高了300倍,可能用于开发新型冠状病毒防护口罩过滤器等。
纳米纤维可以用来制造理想的口罩过滤器,因为它们与气溶胶粒子的机械相互作用使它们有更高的能力捕捉超过90%的有害颗粒,如细粉尘和含病毒的液滴。
近年来,COVID-19大流行的影响还加速了对更好类型口罩的需求增加。随着大流行倾向于持续下去,人们对一种基于聚合物纳米纤维的口罩过滤器的需求越来越大,这种过滤器能够更有效地捕捉有害颗粒。
“静电纺丝”是一种制造精细甚至聚合物纳米纤维的通用工艺,但考虑到成本效益、批量生产和安全性,它有各种缺点。
静电纺丝技术需要导电靶和高压电场,这阻碍了聚合物纳米纤维的安全经济批量生产。
作为对这一缺陷的回应,“离心纺丝”是一种更安全、更经济的替代静电纺丝的方法,它使用离心力而不是高压来产生聚合物纳米纤维。
简单的可扩展性是另一个优势,因为这种技术只需要一个收集器和一个旋转的吐丝器。
但由于目前的离心力纺丝技术仅使用一个旋转的喷丝板,生产效率受到限制,与“多喷嘴静电纺丝”和“无喷嘴静电纺丝”等一些先进的静电纺丝技术相比,效率也相差不大。即使吐丝器的尺寸扩大,这个问题仍然存在。
从这些缺陷中获得灵感,在韩国科学技术学院化学和生物分子工程系教授Do Hyun Kim的指导下,一组研究人员设计了一个可批量生产的离心多纺喷丝器。他们通过将一个旋转的吐丝器分成三个子盘来实现这一点。
该研究作为封面文章发表在ACS Macro Letters杂志,第10卷,2021年3月第3期。
该论文的主要作者兼博士生Byeong Eun Kwak和他的同事Hyo Jeong Yoo和Eungjun Lee使用这种带有三个子盘的新型离心多纺喷丝器来演示几种克级聚合物纳米纤维的合成,其最佳生产速率可达25克/小时,比传统静电纺丝系统高出300倍左右。
高达25克/小时的聚合物纳米纤维产量,与实验室规模的生产系统每天大约30个口罩过滤器的产量相匹配。
该团队通过将大量生产的聚合物纳米纤维结合成口罩过滤器的形式,能够制造出过滤性能与韩国市场目前可用的KF94和KF80口罩相当的口罩。
KF94和KF80口罩已获得韩国食品和药品安全部的批准,可分别去除至少94%和80%的有害颗粒。