KAIST“离心多纺丝”纳米纤维技术将为COVID-19口罩带来有效的新变化

2021年04月17日 09:37 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

韩国科学技术院(KAIST)的研究人员开发了一种名为“离心多纺丝”的新型纳米纤维生产技术,这将为高性能聚合物纳米纤维的安全和低成本大规模生产打开大门。这种新技术的每小时纳米纤维生产速度比传统的“静电纺丝”方法高300倍,具有许多潜在的应用,包括开发用于防止感染新冠病毒的口罩过滤器。

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纳米纤维是良好的口罩过滤器,因为它们与气溶胶颗粒的机械相互作用使其具有更强的能力,能够捕获90%以上的有害颗粒,如细小的灰尘和含有病毒的飞沫。受COVID-19大流行的影响,进一步加速了人们对更好的口罩的需求增长。随着疫情的持续,一种能更有效阻隔有害颗粒的高分子纳米纤维基口罩过滤网也有了更高的需求。

“静电纺丝”一直是制备细密均匀的高分子纳米纤维的常用工艺,但从安全性、成本效益和大规模生产的角度来看,它存在一些缺点。“静电纺丝”需要高压电场和导电靶材,这阻碍了高分子纳米纤维的安全和低成本量产。

针对这一缺点,有人提出利用离心力而不是高压来生产聚合物纳米纤维的“离心纺丝”是一种比“静电纺丝”更安全、更经济的选择。易扩展性是另一个优势,因为这种技术只需要一个旋转的喷丝板和一个收集器。

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然而,由于现有的基于离心力的纺丝技术只采用了一个旋转喷丝板,因此生产率有限,比一些先进的静电纺丝技术,如“多喷嘴静电纺丝”和“无喷嘴静电纺丝”高不了多少。即使增加喷丝板的尺寸,这个问题依然存在。

受这些局限性的启发,KAIST化学生物分子工程系的 Do Hyun Kim教授领导的研究小组将旋转的喷丝板分割成三个子盘,开发出了具有大规模生产性的离心多纺丝板。该研究作为《ACS Macro Letters》第10卷第3期的封面文章于2021年3月发表。

论文主要作者博士生Byeong Eun Kwak和他的研究人员Hyo Jeong Yoo和Eungjun Lee利用这种带有三个子盘的新型离心式多纺丝喷丝板,演示了各种聚合物纳米纤维的克级生产,最高生产速度可达25克/小时,比传统的电纺系统高出约300倍。每小时高达25克聚合物纳米纤维的生产速度相当于实验室规模生产系统每天生产约30个口罩滤网的速度。

通过将大规模生产的聚合物纳米纤维整合到口罩过滤器的形式中,研究人员能够制造出与目前韩国市场上的KF80和KF94口罩过滤性能相当的口罩。KF80和KF94口罩已获得韩国食品药品管理局的认可,分别能过滤掉至少80%和94%的有害颗粒。

“当我们的系统从实验室规模扩大到工业规模后,离心多纺丝高分子纳米纤维的大规模生产将成为可能,基于高分子纳米纤维的口罩过滤器的成本也将大幅降低。”Kwak解释说。

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