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코로나바이러스 대유행과 공기 중 미세먼지(PM) 관련 문제로 인해 마스크 수요가 기하급수적으로 증가했습니다.그러나 정전기 및 나노 체를 기반으로 하는 기존 마스크 필터는 모두 일회용, 분해되지 않거나 재활용이 가능하여 심각한 폐기물 문제를 일으킬 수 있습니다.또한 전자는 습한 조건에서 기능을 상실하는 반면 후자는 상당한 기압 강하로 작동하여 비교적 빠른 기공 막힘이 발생합니다.여기에 생분해성, 방습성, 고투습성, 고성능 섬유 마스크 필터가 개발됐다.요컨대, 2개의 생분해성 초미세 섬유와 나노섬유 매트가 야누스 멤브레인 필터에 통합된 다음 양이온으로 충전된 키토산 나노위스커로 코팅됩니다.이 필터는 상용 N95 필터만큼 효율적이며 2.5µm PM의 98.3%를 제거할 수 있습니다.나노 섬유는 미세 입자를 물리적으로 걸러내고 초미세 섬유는 사람의 호흡에 적합한 59 Pa의 낮은 압력차를 제공합니다.시중의 N95 필터가 수분에 노출되면 성능이 급격하게 떨어지는 것과 달리 이 필터의 성능 손실은 미미하여 키토산의 영구 쌍극자가 초미세 PM(예를 들어 질소)을 흡착하기 때문에 여러 번 사용할 수 있다.그리고 황산화물).이 필터는 퇴비화된 토양에서 4주 이내에 완전히 분해되는 것이 중요합니다.
현재 전례 없는 코로나바이러스 대유행(COVID-19)으로 마스크 수요가 급증하고 있습니다.[1] 세계보건기구(WHO)는 올해 매달 8900만 개의 의료용 마스크가 필요할 것으로 추정합니다.[1] 의료인에게 고효율 N95 마스크가 필요할 뿐만 아니라, 모든 개인을 위한 범용 마스크도 이러한 호흡기 감염병 예방을 위해 없어서는 안 될 일상용품이 되었습니다.[1] 또한, 관련 부처에서는 일회용 마스크를 매일 사용할 것을 강력히 권고하고 있는데, [1] 이로 인해 마스크 폐기물이 대량으로 발생하는 환경 문제가 발생하고 있습니다.
미세먼지(PM)가 현재 가장 문제가 되는 대기오염 문제이기 때문에 마스크는 개인이 사용할 수 있는 가장 효과적인 대책이 되었습니다.PM은 입자의 크기(각각 2.5μm, 10μm)에 따라 PM2.5와 PM10으로 구분되며, 자연환경[2]과 인간의 삶의 질에 다양한 방식으로 심각한 영향을 미친다.[2] 매년 PM은 420만 명의 사망과 1억 310만 명의 장애 조정 수명을 초래합니다.[2] PM2.5는 건강에 특히 심각한 위협을 가하며 공식적으로 그룹 I 발암 물질로 지정됩니다.[2] 따라서 공기 투과성과 PM 제거 측면에서 효율적인 마스크 필터를 연구 개발하는 것이 시의적절하고 중요하다.[삼]
일반적으로 기존의 섬유 필터는 두 가지 다른 방식으로 PM을 포착합니다. 즉, 나노 섬유를 기반으로 하는 물리적 체질과 마이크로 섬유를 기반으로 하는 정전기 흡착을 통해입니다(그림 1a).나노섬유 기반 필터, 특히 전기방사 나노섬유 매트의 사용은 광범위한 재료 가용성과 제어 가능한 제품 구조의 결과인 PM을 제거하는 효과적인 전략임이 입증되었습니다.[3] 나노섬유 매트는 입자와 기공의 크기 차이로 인해 발생하는 목표 크기의 입자를 제거할 수 있다.그러나 나노 크기의 섬유는 매우 작은 기공을 형성하기 위해 조밀하게 적층되어야 하는데, 이는 높은 기압차로 인해 사람의 편안한 호흡에 유해하다.또한 작은 구멍은 필연적으로 상대적으로 빠르게 차단됩니다.
한편, 멜트블로운 초극세 섬유 매트는 고에너지 전기장에 의해 정전기적으로 대전되며, 정전기 흡착에 의해 매우 작은 입자가 포획된다.[4] 대표적인 예로 N95 마스크는 공기 중 입자를 95% 이상 걸러낼 수 있어 국립산업안전보건원의 요구사항을 충족하는 입자 필터링 안면 마스크 마스크입니다.일반적으로 SO42−, NO3− 등의 음이온성 물질로 구성된 초미세 PM을 강한 정전기적 인력으로 흡수하는 필터입니다.그러나 섬유 매트 표면의 정전기는 습한 사람의 호흡과 같은 습한 환경에서 쉽게 소실되어[4] 흡착 능력이 감소합니다.
여과 성능을 더욱 향상시키거나 제거 효율과 압력 강하 사이의 트레이드 오프를 해결하기 위해 나노 섬유 및 마이크로 섬유 기반 필터는 탄소 재료, 금속 유기 프레임 워크 및 PTFE 나노 입자와 같은 고유전율 재료와 결합됩니다.그러나 이러한 첨가제의 불확실한 생물학적 독성 및 전하 소산은 여전히 피할 수 없는 문제입니다.[4] 특히 이 두 종류의 기존 필터는 일반적으로 분해가 되지 않아 결국 매립지에 묻히거나 사용 후 소각된다.따라서 이러한 폐기물 문제를 해결하고 동시에 만족스럽고 강력한 방식으로 PM을 포집하기 위한 개선된 마스크 필터의 개발이 현재 중요한 요구 사항입니다.
위와 같은 문제점을 해결하기 위해 폴리(부틸렌 숙시네이트) 기반(PBS 기반)[5] 극세사 및 나노섬유 매트가 통합된 야누스 멤브레인 필터를 제조했습니다.Janus 멤브레인 필터는 키토산 나노 휘스커(CsWs)로 코팅되어 있습니다[5](그림 1b).아시다시피 PBS는 전기방사를 통해 초극세사 섬유와 나노섬유 부직포를 생산할 수 있는 대표적인 생분해성 고분자입니다.나노 규모의 섬유는 물리적으로 PM을 가두는 반면, 마이크로 규모의 나노 섬유는 압력 강하를 줄이고 CsW 프레임워크 역할을 합니다.키토산은 생체 적합성, 생분해성 및 상대적으로 낮은 독성을 포함하여 우수한 생물학적 특성을 갖는 것으로 입증된 바이오 기반 소재로, [5] 사용자의 우발적인 흡입과 관련된 불안을 줄일 수 있습니다.또한 키토산은 양이온 부위와 극성 아미드기를 가지고 있다.[5] 습한 조건에서도 극성 초미립자(예: SO42- 및 NO3-)를 끌어당길 수 있습니다.
쉽게 구할 수 있는 생분해성 소재를 기반으로 한 생분해성, 고효율, 방습, 저압력 마스크 필터를 보고합니다.물리적 체질과 정전 흡착의 조합으로 인해 CsW 코팅된 극세사/나노 섬유 통합 필터는 높은 PM2.5 제거 효율(최대 98%)을 가지며 동시에 가장 두꺼운 필터에서 최대 압력 강하는 만 59Pa로 인간의 호흡에 적합합니다.N95 상용 필터가 나타내는 상당한 성능 저하와 비교할 때 이 필터는 영구적인 CsW 전하로 인해 완전히 젖었을 때에도 PM 제거 효율(<1%)의 무시할 수 있는 손실을 나타냅니다.또한 당사의 필터는 퇴비화된 토양에서 4주 이내에 완전히 생분해됩니다.필터 부분이 생분해성 재료로 구성되거나 잠재적인 바이오폴리머 부직포 응용에서 제한된 성능을 보이는 유사한 개념의 다른 연구와 비교하여 [6] 이 필터는 고급 기능의 생분해성을 직접적으로 보여줍니다(동영상 S1, 지원 정보).
Janus 멤브레인 필터의 구성 요소로 나노 섬유 및 극세 섬유 PBS 매트가 먼저 준비되었습니다.따라서 11%와 12% PBS 용액을 전기방사하여 각각 나노미터와 마이크로미터 섬유를 생산했는데, 이는 점도의 차이 때문이었다.[7] 용액 특성 및 최적 전기방사 조건에 대한 자세한 정보는 지원 정보의 표 S1 및 표 S2에 나열되어 있습니다.방적된 상태의 섬유에는 여전히 잔류 용매가 포함되어 있기 때문에 그림 2a와 같이 일반적인 전기방사 장치에 물 응고조를 추가로 추가합니다.또한 수조는 기존 설정의 고체 매트릭스와 다른 응고된 순수 PBS 섬유 매트를 수집하기 위해 프레임을 사용할 수도 있습니다(그림 2b).[7] 마이크로섬유 및 나노섬유 매트의 평균 섬유 직경은 각각 2.25 및 0.51 μm이고 평균 기공 직경은 각각 13.1 및 3.5 μm입니다(그림 2c, d).9:1 클로로포름/에탄올 용매가 노즐에서 방출된 후 빠르게 증발함에 따라 11~12wt% 용액 사이의 점도 차이가 급격히 증가합니다(그림 S1, 지원 정보).따라서 1wt%의 농도 차이만으로도 섬유 직경이 크게 변할 수 있다.
필터 성능을 확인하기 전에(그림 S2, 뒷받침 정보) 다양한 필터를 합리적으로 비교하기 위해 표준 두께의 전기방사 부직포를 제조했는데, 두께는 필터 성능의 압력차와 여과 효율에 영향을 미치는 중요한 요소이기 때문이다.부직포는 부드럽고 다공성이기 때문에 전기방사 부직포의 두께를 직접적으로 측정하기 어렵다.직물의 두께는 일반적으로 표면 밀도(단위 면적당 중량, 평량)에 비례합니다.따라서 본 연구에서는 두께의 효과적인 척도로 평량(gm-2)을 사용한다.[8] 도 2e와 같이 전기방사 시간을 변경하여 두께를 조절하였다.방적시간이 1분에서 10분으로 증가함에 따라 극세사 매트의 두께는 각각 0.2, 2.0, 5.2, 9.1gm-2로 증가한다.같은 방법으로 나노섬유 매트의 두께를 각각 0.2, 1.0, 2.5, 4.8gm-2로 증가시켰다.극세사 및 나노섬유 매트는 두께 값(gm-2)으로 M0.2, M2.0, M5.2 및 M9.1, N0.2, N1.0, N2.5 및 N4로 지정됩니다. 8.
전체 샘플의 기압차(ΔP)는 필터 성능의 중요한 지표입니다.[9] 압력 강하가 큰 필터를 통한 호흡은 사용자에게 불편합니다.당연히 그림 S3에 표시된 것처럼 필터의 두께가 증가함에 따라 압력 강하가 증가하는 것으로 관찰되어 정보를 뒷받침합니다.나노섬유 매트(N4.8)는 나노섬유 매트의 기공이 더 작기 때문에 비슷한 두께에서 마이크로섬유(M5.2) 매트보다 더 높은 압력 강하를 나타냅니다.공기가 0.5~13.2ms-1의 속도로 필터를 통과함에 따라 두 가지 다른 유형의 필터의 압력 강하는 101Pa에서 102Pa로 점차 증가합니다. 두께는 압력 강하와 PM 제거의 균형을 맞추도록 최적화되어야 합니다. 능률;1.0ms-1의 공기 속도는 인간이 입으로 숨을 쉬는 데 걸리는 시간이 약 1.3ms-1이기 때문에 합리적입니다.이와 관련하여 M5.2 및 N4.8의 압력 강하는 공기 속도 1.0ms-1(50Pa 미만)에서 허용 가능합니다(그림 S4, 지원 정보).N95 및 유사한 한국 필터 표준(KF94) 마스크의 압력 강하는 각각 50~70Pa입니다.추가 CsW 처리 및 마이크로/나노 필터 통합은 공기 저항을 증가시킬 수 있습니다.따라서 압력 강하 마진을 제공하기 위해 M5.2 및 N4.8을 분석하기 전에 N2.5 및 M2.0을 분석했습니다.
목표 공기 속도 1.0ms-1에서 PBS 극세사 및 나노섬유 매트의 PM1.0, PM2.5 및 PM10 제거 효율을 정전하 없이 연구했습니다(그림 S5, 지원 정보).PM 제거 효율은 일반적으로 두께와 PM 크기가 증가함에 따라 증가하는 것으로 관찰됩니다.N2.5의 제거 효율은 기공이 작기 때문에 M2.0보다 우수합니다.PM1.0, PM2.5 및 PM10에 대한 M2.0의 제거 효율은 각각 55.5%, 64.6% 및 78.8%인 반면 N2.5의 유사한 값은 71.9%, 80.1% 및 89.6%였습니다(그림 2f).우리는 M2.0과 N2.5 사이의 가장 큰 효율성 차이가 PM1.0임을 알아차렸습니다. 이는 극세사 메쉬의 물리적 체질이 미크론 수준의 PM에는 효과적이지만 나노 수준의 PM에는 효과적이지 않음을 나타냅니다(그림 S6, 지원 정보)., M2.0 및 N2.5 모두 90% 미만의 낮은 PM 포착 능력을 나타냅니다.또한 N2.5는 먼지 입자가 N2.5의 작은 기공을 쉽게 막을 수 있기 때문에 M2.0보다 먼지에 더 취약할 수 있습니다.정전하가 없으면 물리적 체질은 필요한 압력 강하와 제거 효율을 동시에 달성하는 능력이 제한됩니다.
정전기 흡착은 효율적인 방식으로 PM을 포집하기 위해 가장 널리 사용되는 방법입니다.일반적으로 부직포 필터에는 고에너지 전기장을 통해 정전기가 강제적으로 가해진다.그러나이 정전기는 습한 조건에서 쉽게 소산되어 PM 포집 능력이 손실됩니다.[4] 정전기 여과용 바이오 기반 소재로 길이 200nm, 너비 40nm의 CsW를 도입했습니다.암모늄 그룹과 극성 아미드 그룹으로 인해 이러한 나노위스커는 영구적인 양이온 전하를 포함합니다.CsW 표면의 사용 가능한 양전하는 제타 전위(ZP)로 표시됩니다.CsW는 pH 4.8의 물에 분산되어 있으며 ZP는 +49.8mV인 것으로 나타났습니다(그림 S7, 지원 정보).
CsW가 코팅된 PBS 극세사(ChMs)와 나노섬유(ChNs)는 PBS 섬유 표면에 최대량의 CsWs를 부착시키기에 적절한 농도인 0.2wt% CsW 수분산액에 단순 딥코팅하여 제조하였다. 정보를 지원하는 그림 3a 및 그림 S8에 표시된 그림.질소 에너지 분산형 X선 분광법(EDS) 이미지는 PBS 섬유의 표면이 CsW 입자로 균일하게 코팅되어 있음을 보여주며, 이는 주사 전자 현미경(SEM) 이미지에서도 분명합니다(그림 3b; 그림 S9, 지원 정보). .또한 이 코팅 방법은 대전된 나노 물질이 섬유 표면을 미세하게 감싸 정전기 PM 제거 능력을 최대화할 수 있습니다(그림 S10, 지원 정보).
ChM 및 ChN의 PM 제거 효율을 연구했습니다(그림 3c).M2.0 및 N2.5를 CsW로 코팅하여 각각 ChM2.0 및 ChN2.5를 생성하였다.PM1.0, PM2.5 및 PM10에 대한 ChM2.0의 제거 효율은 각각 70.1%, 78.8% 및 86.3%인 반면 ChN2.5의 유사한 값은 각각 77.0%, 87.7% 및 94.6%였습니다.CsW 코팅은 M2.0 및 N2.5의 제거 효율을 크게 향상시키고 약간 더 작은 PM에서 관찰되는 효과가 더 중요합니다.특히, 키토산 나노위스커는 M2.0의 PM0.5 및 PM1.0의 제거 효율을 각각 15% 및 13% 증가시켰습니다(그림 S11, 지원 정보).M2.0은 비교적 넓은 피브릴 간격으로 인해 더 작은 PM1.0을 제외하기 어렵지만(그림 2c) ChM2.0은 CsW의 양이온과 아미드가 이온-이온을 통과하기 때문에 PM1.0을 흡착합니다. , 먼지와의 쌍극자-쌍극자 상호 작용.CsW 코팅으로 인해 ChM2.0 및 ChN2.5의 PM 제거 효율은 두꺼운 M5.2 및 N4.8만큼 높습니다(표 S3, 지원 정보).
흥미롭게도 PM 제거 효율이 크게 향상되었지만 CsW 코팅은 압력 강하에 거의 영향을 미치지 않습니다.ChM2.0 및 ChN2.5의 압력 강하는 M5.2 및 N4.8에서 관찰된 증가의 거의 절반인 15 및 23 Pa로 약간 증가했습니다(그림 3d; 표 S3, 지원 정보).따라서 바이오 기반 재료로 코팅하는 것이 두 가지 기본 필터의 성능 요구 사항을 충족하는 데 적합한 방법입니다.즉, PM 제거 효율과 기압차는 상호 배타적입니다.그러나 ChM2.0 및 ChN2.5의 PM1.0 및 PM2.5 제거 효율은 모두 90% 미만입니다.분명히 이 성능은 개선되어야 합니다.
점진적으로 섬유 직경과 공극 크기가 변하는 다중 막으로 구성된 통합 여과 시스템은 위의 문제를 해결할 수 있습니다[12].통합 에어 필터는 두 가지 다른 나노 섬유와 초극세 섬유 망의 장점을 가지고 있습니다.이와 관련하여 ChM과 ChN은 단순히 적층되어 통합 필터(Int-MN)를 생성합니다.예를 들어 ChM2.0과 ChN2.5를 사용하여 Int-MN4.5를 준비하고 비슷한 면적 밀도(즉, 두께)를 가진 ChN4.8 및 ChM5.2와 성능을 비교합니다.PM 제거 효율 실험에서 Int-MN4.5의 초극세 섬유 쪽이 나노 섬유 쪽보다 막힘에 대한 저항성이 더 크기 때문에 먼지가 많은 방에서 노출되었습니다.그림 4a에서 볼 수 있듯이 Int-MN4.5는 ChM5.2와 유사하고 ChM5.2 ChN4보다 훨씬 낮은 37 Pa의 압력 강하로 두 개의 단일 구성 요소 필터보다 더 나은 PM 제거 효율과 압력 차이를 보여줍니다.8. 또한 Int-MN4.5의 PM1.0 제거 효율은 91%입니다(그림 4b).반면 ChM5.2는 Int-MN4.5보다 기공이 크기 때문에 높은 PM1.0 제거 효율을 나타내지 못했다.
게시 시간: 2021년 11월 03일
