KAIST-forskare har utvecklat en ny nanofiberproduktionsteknik som kallas "centrifugal multispinning" som kommer att öppna dörren för säker och kostnadseffektiv massproduktion av högpresterande polymernanofibrer. Denna nya teknik, som har visat upp till en 300 gånger högre nanofiberproduktionshastighet per timme än den för den konventionella elektrospinningsmetoden, har många potentiella tillämpningar inklusive utveckling av ansiktsmaskfilter för skydd mot coronavirus.

Nanofibrer är bra ansiktsmaskfilter eftersom deras mekaniska interaktioner med aerosolpartiklar ger dem en större förmåga att fånga upp mer än 90 % av skadliga partiklar som fint damm och virushaltiga droppar.

Effekten av covid-19-pandemin har ytterligare accelererat den växande efterfrågan de senaste åren på en bättre typ av ansiktsmask. Ett polymert nanofiberbaserat maskfilter som mer effektivt kan blockera skadliga partiklar har också varit i högre efterfrågan när pandemin fortsätter.

"Elektrospinning" har varit en vanlig process som används för att framställa fina och enhetliga polymernanofibrer, men när det gäller säkerhet, kostnadseffektivitet, och massproduktion, det har flera nackdelar. Elektrospinningsmetoden kräver ett elektriskt högspänningsfält och ett elektriskt ledande mål, och detta hindrar säker och kostnadseffektiv massproduktion av polymera nanofibrer.

Som svar på denna brist, "centrifugal spinning" som använder centrifugalkraft istället för hög spänning för att producera polymera nanofibrer har föreslagits som ett säkrare och mer kostnadseffektivt alternativ till elektrospinning. Enkel skalbarhet är en annan fördel, eftersom denna teknik endast kräver en roterande spinndysa och en uppsamlare.

Dock, eftersom den befintliga centrifugalkraftbaserade spinntekniken endast använder en enda roterande spinndysa, Produktiviteten är begränsad och inte mycket högre än för vissa avancerade elektrospinningsteknologier som "elektrospinning med flera munstycken" och "munstyckslös elektrospinning." Detta problem kvarstår även när storleken på spinndysan ökas.

Inspirerad av dessa begränsningar, ett forskarlag under ledning av professor Do Hyun Kim från Institutionen för kemi- och biomolekylär teknik vid KAIST utvecklade en centrifugal multispinningsdyna med massproducerbarhet, genom att dela upp en roterande spinndysa i tre underskivor. Denna studie publicerades som en artikel på framsidan av ACS makrobokstäver , Volym 10, Nummer 3 i mars 2021.

Genom att använda denna nya centrifugal multispinnande spinndysa med tre underskivor, huvudförfattaren till uppsatsen Ph.D. kandidaten Byeong Eun Kwak och hans forskarkollegor Hyo Jeong Yoo och Eungjun Lee demonstrerade gramskalig produktion av olika polymera nanofibrer med en maximal produktionshastighet på upp till 25 gram per timme, vilket är ungefär 300 gånger högre än det för det konventionella elektrospinningssystemet. Produktionshastigheten på upp till 25 gram polymera nanofibrer per timme motsvarar produktionshastigheten för cirka 30 ansiktsmaskfilter per dag i ett tillverkningssystem i labbskala.

Genom att integrera de massproducerade polymernanofibrerna i form av ett maskfilter, forskarna kunde tillverka ansiktsmasker som har jämförbar filtreringsprestanda med KF80 och KF94 ansiktsmasker som för närvarande finns tillgängliga på den koreanska marknaden. KF80- och KF94-maskerna har godkänts av ministeriet för livsmedels- och läkemedelssäkerhet i Korea för att filtrera bort minst 80 % respektive 94 % av skadliga partiklar.

"När vårt system skalas upp från labbskala till industriell skala, den storskaliga produktionen av centrifugala multispunna polymernanofibrer kommer att möjliggöras, och kostnaden för polymera nanofiberbaserade ansiktsmaskfilter kommer också att sänkas dramatiskt, " förklarade Kwak.