Figura. (A) Ilustración esquemática del proceso de producción de nanofibras de polímero de centrifugado múltiple centrífugo. (B) Las nanofibras de polímero hiladas por el sistema. El aumento del número de subdiscos muestra la mejora proporcional de la productividad. (C) Máscaras faciales y filtros de máscara fabricados con nanofibras producidas en masa (recuadro). Crédito:Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST)
Los investigadores de KAIST han desarrollado una novedosa técnica de producción de nanofibras llamada "centrifugado múltiple" que abrirá la puerta a la producción en masa segura y rentable de nanofibras poliméricas de alto rendimiento. Esta nueva técnica, que ha demostrado una tasa de producción de nanofibras por hora hasta 300 veces mayor que la del método convencional de electrohilado, tiene muchas aplicaciones potenciales, incluido el desarrollo de filtros de mascarilla para la protección contra el coronavirus.
Las nanofibras son buenos filtros para mascarillas porque sus interacciones mecánicas con las partículas de aerosol les dan una mayor capacidad para capturar más del 90% de las partículas nocivas, como el polvo fino y las gotas que contienen virus.
El impacto de la pandemia de COVID-19 ha acelerado aún más la creciente demanda en los últimos años de un mejor tipo de mascarilla facial. Un filtro de máscara a base de nanofibras de polímero que puede bloquear de manera más efectiva las partículas dañinas también ha tenido una mayor demanda a medida que continúa la pandemia.
El "electrohilado" ha sido un proceso común utilizado para preparar nanofibras poliméricas finas y uniformes, pero en términos de seguridad, rentabilidad, y producción en masa, tiene varios inconvenientes. El método de electrohilado requiere un campo eléctrico de alto voltaje y un objetivo conductor de electricidad, y esto dificulta la producción en masa segura y rentable de nanofibras poliméricas.
En respuesta a esta deficiencia, Se ha sugerido que el "hilado centrífugo" que utiliza fuerza centrífuga en lugar de alto voltaje para producir nanofibras poliméricas es una alternativa más segura y rentable que el electrohilado. La fácil escalabilidad es otra ventaja, ya que esta tecnología solo requiere una hilera giratoria y un colector.
Sin embargo, Dado que la tecnología de hilatura basada en la fuerza centrífuga existente emplea una sola hilera giratoria, la productividad es limitada y no mucho más alta que la de algunas tecnologías avanzadas de electrohilado, como el "electrohilado de múltiples boquillas" y el "electrohilado sin boquillas". Este problema persiste incluso cuando se aumenta el tamaño de la hilera.
Inspirado por estas limitaciones, un equipo de investigación dirigido por el profesor Do Hyun Kim del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de KAIST desarrolló una hilera centrífuga de hilatura múltiple con capacidad de producción en masa, seccionando una hilera giratoria en tres subdiscos. Este estudio fue publicado como artículo de portada de Cartas macro ACS , Volumen 10, Número 3 en marzo de 2021.
Usando esta nueva hilera centrífuga de hilatura múltiple con tres subdiscos, el autor principal del artículo Ph.D. el candidato Byeong Eun Kwak y sus compañeros investigadores Hyo Jeong Yoo y Eungjun Lee demostraron la producción a escala de gramos de varias nanofibras poliméricas con una tasa máxima de producción de hasta 25 gramos por hora, que es aproximadamente 300 veces mayor que el del sistema de electrohilado convencional. La tasa de producción de hasta 25 gramos de nanofibras poliméricas por hora corresponde a la tasa de producción de aproximadamente 30 filtros de mascarilla por día en un sistema de fabricación a escala de laboratorio.
Al integrar las nanofibras poliméricas producidas en masa en forma de filtro de máscara, los investigadores pudieron fabricar máscaras faciales que tienen un rendimiento de filtración comparable con las máscaras faciales KF80 y KF94 que están disponibles actualmente en el mercado coreano. Las máscaras KF80 y KF94 han sido aprobadas por el Ministerio de Seguridad Alimentaria y Farmacéutica de Corea para filtrar al menos el 80% y el 94% de las partículas nocivas, respectivamente.
"Cuando nuestro sistema se escala de la escala de laboratorio a una escala industrial, será posible la producción a gran escala de nanofibras poliméricas centrífugas de múltiples hiladas, y el costo de los filtros de mascarilla facial a base de nanofibras de polímero también se reducirá drásticamente, "Explicó Kwak.
