KAIST-onderzoekers hebben een nieuwe nanovezelproductietechniek ontwikkeld, 'centrifugal multispinning' genaamd, die de deur zal openen voor de veilige en kosteneffectieve massaproductie van hoogwaardige polymere nanovezels. Deze nieuwe techniek, die een tot 300 keer hogere productiesnelheid van nanovezels per uur heeft laten zien dan die van de conventionele elektrospinmethode, heeft veel potentiële toepassingen, waaronder de ontwikkeling van gezichtsmaskerfilters voor bescherming tegen het coronavirus.

Nanovezels zijn goede gezichtsmaskerfilters omdat hun mechanische interactie met aerosoldeeltjes hen een groter vermogen geeft om meer dan 90% van de schadelijke deeltjes zoals fijn stof en virusbevattende druppels op te vangen.

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

"Electrospinning" is een veelgebruikt proces geweest dat wordt gebruikt om fijne en uniforme polymeer nanovezels te bereiden, maar qua veiligheid kosten efficiëntie, en massaproductie, het heeft verschillende nadelen. De elektrospinmethode vereist een elektrisch veld met hoog voltage en een elektrisch geleidend doel, en dit belemmert de veilige en kosteneffectieve massaproductie van polymeer nanovezels.

Als antwoord op deze tekortkoming, 'Centrifugaal spinnen' dat gebruik maakt van centrifugale kracht in plaats van hoogspanning om polymeer nanovezels te produceren, is gesuggereerd als een veiliger en kosteneffectiever alternatief voor elektrospinnen. Eenvoudige schaalbaarheid is een ander voordeel, omdat deze technologie alleen een roterende spindop en een collector vereist.

Echter, aangezien de bestaande op centrifugaalkracht gebaseerde spintechnologie slechts een enkele roterende spindop gebruikt, de productiviteit is beperkt en niet veel hoger dan die van sommige geavanceerde elektrospintechnologieën zoals 'multi-nozzle electrospinning' en 'nozzleless electrospinning'.

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

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

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

"Als ons systeem wordt opgeschaald van laboratoriumschaal naar industriële schaal, de grootschalige productie van centrifugale multispun polymeer nanovezels wordt mogelijk gemaakt, en de kosten van op polymeer nanovezel gebaseerde gezichtsmaskerfilters zullen ook drastisch worden verlaagd, ' legde Kwak uit.