بهينه سازي فرايند الكتروريسي بسترهاي نانوفيبري پلي اورتان و بررسي عملكرد فيلتراسيوني آنها به منظور استفاده در فيلترهاي ماسك هاي حفاظت تنفسي

Optimization of the electrospinning process of polyurethane nanofibers and their filtration performance for use in respiratory protection mask filters

زمينه و هدف نانوفيبرهاي ساخته شده از طريق فرايند الكتروريسي مي توانند به منظور ساخت بسترهاي فيلتركننده در ساخت تجهيزات حفاظت فردي نظامي، مورد استفاده قرار بگيرند. مطالعه حاضر با هدف بهينه سازي فرايند الكتروريسي براي ساخت بسترهاي نانوفيبري پلي اورتان و مقايسه عملكرد فيلتراسيوني بستر بهينه ساخته شده با يك نمونه از بسترهاي تجاري معمول مورد استفاده در ساختار ماسك هاي حفاظت تنفسي N95 انجام شده است. روش ها در مطالعه تجربي حاضر، ابتدا، محلول هاي پليمري پلي اورتان در سيستم حلالي متشكل از دي متيل فرماميد و تتراهيدروفوران با نسبت اختلاط 3 به 2 آماده سازي شدند و سپس نحوه تاثير پارامترهاي الكتروريسي همانند غلظت محلول پليمري، ولتاژ الكتروريسي، فاصله الكتروريسي و دبي تزريق پليمر بر روي قطر و يكنواختي نانوفيبرها و همچنين مقادير بهينه اين پارامترها با استفاده ازطرح آزمايشات روش سطح پاسخ بر اساس طرح مركب مركزي بررسي شدند. سيستم تست عملكرد فيلتراسيوني اين بسترها ساخته شد و راندمان فيلتراسيون و افت فشار بستر توليد شده با بستر تجاري مورد استفاده در ساختار ماسك هاي تنفسي N95 مقايسه شد. نتيجه گيري نتايج كسب شده نشان داد كه بسترهاي ساخته شده از لحاظ راندمان فيلتراسيون و فاكتور كيفيت مقادير قابل قبولي را به منظور كاربردهاي فيلتراسيوني دارا مي باشند. علاوه براين با بهينه سازي فرايند الكتروريسي مي توان با تغيير در پارامترهاي موثر، بسترهاي با ويژگي هاي دلخواه (قطر نانوفيبر، يكنواختي و...) جهت استفاده در فيلترهاي ماسك هاي حفاظت تنفسي توليد نمود.

Background and Aim: Electrospun nanofibers can be used to produce filter media in personal protective equipment for the military. The present study aimed to optimize the electrospinning process used to create polyurethane nanofiber substrates and compare the optimum substrate filtration performance with a typical commercial substrate used in the structure of N95 respirators. Methods: In this experimental study, polyurethane polymer solutions were prepared in a solvent system consisting of dimethylformamide and tetrahydrofuran with a mixing ratio of 3: 2 (v/v%). The main and interactive effects of electrospinning process parameters (polymeric solution concentration, applied voltage, electrospinning distance, and polymer injection rate) on the mean diameter and uniformity of electrospun nanofibers and their optimal values were studied using response surface methodology, specifically, a central composite design. The filtration efficiency and pressure drop of the electrospun polyurethane nanofiber filter media were compared with the commercial media used in the N95 respiratory mask structure using a prepared filtration test rig. Results: Based on the results of the quadratic model, the optimal conditions for the electrospinning of polyurethane polymer were polymeric solution concentration, applied voltage, electrospinning distance, and polymer injection rate of 14 w/v%, 17 kV, 10 cm, and 0.4 ml/h, respectively. The results showed that despite having a lower base weight, the filtration efficiency and quality factor of four layers of polyurethane nanofiber filter media were higher than that of a three-layer N95 mask (98.24% % versus 98.1%, and a quality factor of 0.061 versus 0.084 Pa-1, respectively). Conclusion: It can be concluded that the electrospun polyurethane nanofiber media have acceptable filtration efficiency and quality factor values for filtration applications. In addition, the fabrication of nanofiber media with desired properties (nanofiber diameter, uniformity, etc.) for use in the filters of respiratory protection equipment is possible by optimizing the electrospinning process.