Chiffre. (A) Illustration schématique du processus de production de nanofibres de polymère à filage multiple centrifuge. (B) Les nanofibres de polymère filées par le système. L'augmentation du nombre de sous-disques montre l'amélioration proportionnelle de la productivité. (C) Masques faciaux et filtres de masque fabriqués à l'aide de nanofibres produites en série (en médaillon). Crédit : Institut coréen avancé des sciences et de la technologie (KAIST)
Les chercheurs de KAIST ont développé une nouvelle technique de production de nanofibres appelée « multifilage centrifuge » qui ouvrira la porte à la production de masse sûre et rentable de nanofibres polymères hautes performances. Cette nouvelle technique, qui a montré un taux de production de nanofibres jusqu'à 300 fois plus élevé par heure que celui de la méthode conventionnelle d'électrofilage, a de nombreuses applications potentielles, notamment le développement de filtres de masque facial pour la protection contre les coronavirus.
Les nanofibres font de bons filtres pour masques faciaux car leurs interactions mécaniques avec les particules d'aérosol leur confèrent une plus grande capacité à capturer plus de 90 % des particules nocives telles que les poussières fines et les gouttelettes contenant des virus.
L'impact de la pandémie de COVID-19 a encore accéléré la demande croissante ces dernières années pour un meilleur type de masque facial. Un filtre de masque à base de nanofibres polymères qui peut bloquer plus efficacement les particules nocives a également été de plus en plus demandé à mesure que la pandémie se poursuit.
« L'électrofilage » a été un processus courant utilisé pour préparer des nanofibres polymères fines et uniformes, mais en termes de sécurité, rentabilité, et production de masse, il a plusieurs inconvénients. La méthode d'électrofilage nécessite un champ électrique à haute tension et une cible électriquement conductrice, et cela entrave la production de masse sûre et rentable de nanofibres polymères.
En réponse à cette lacune, Le « filage centrifuge » qui utilise la force centrifuge au lieu de la haute tension pour produire des nanofibres polymères a été suggéré comme une alternative plus sûre et plus rentable à l'électrofilage. L'évolutivité facile est un autre avantage, car cette technologie ne nécessite qu'une filière rotative et un collecteur.
Cependant, étant donné que la technologie de filature existante basée sur la force centrifuge n'utilise qu'une seule filière rotative, la productivité est limitée et pas beaucoup plus élevée que celle de certaines technologies d'électrofilage avancées telles que « l'électrofilage à plusieurs buses » et « l'électrofilage sans buse. » Ce problème persiste même lorsque la taille de la filière est augmentée.
Inspiré par ces limites, une équipe de recherche dirigée par le professeur Do Hyun Kim du département de génie chimique et biomoléculaire du KAIST a développé une filière centrifuge multifilage avec une productivité en masse, en divisant une filière rotative en trois sous-disques. Cette étude a été publiée en tant qu'article de couverture de Lettres de macro ACS , Tome 10, Numéro 3 en mars 2021.
Grâce à cette nouvelle filière centrifuge multifilage à trois sous-disques, l'auteur principal de l'article Ph.D. le candidat Byeong Eun Kwak et ses collègues chercheurs Hyo Jeong Yoo et Eungjun Lee ont démontré la production à l'échelle du gramme de diverses nanofibres polymères avec un taux de production maximal de 25 grammes par heure, ce qui est environ 300 fois supérieur à celui du système d'électrofilage conventionnel. Le taux de production allant jusqu'à 25 grammes de nanofibres polymères par heure correspond au taux de production d'environ 30 filtres de masque facial par jour dans un système de fabrication à l'échelle du laboratoire.
En intégrant les nanofibres polymères produites en série sous la forme d'un filtre masque, les chercheurs ont pu fabriquer des masques faciaux ayant des performances de filtration comparables à celles des masques faciaux KF80 et KF94 actuellement disponibles sur le marché coréen. Les masques KF80 et KF94 ont été approuvés par le ministère de la Sécurité alimentaire et pharmaceutique de Corée pour filtrer respectivement au moins 80 % et 94 % des particules nocives.
"Lorsque notre système passe de l'échelle du laboratoire à l'échelle industrielle, la production à grande échelle de nanofibres polymères multifilées par centrifugation sera rendue possible, et le coût des filtres de masque facial à base de nanofibres polymères sera également considérablement réduit, " expliqua Kwak.
