[논문 리뷰] Project 1000 x 1000: Centrifugal melt spinning for distributed manufacturing of N95 filtering facepiece respirators

Anton Molina, Pranav Vyas외 8명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 26.

Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies참고 문헌 14인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 수정된 캔디 머신을 사용한 원심 액체스피닝(CMS)을 통해 분산형이고 저비용으로 N95 여과 마스크 필터 재료를 제조하는 방법을 제안한다. 이 기법은 0.30–0.49 µm 입자에 대해 최대 96%의 여과 효율을 보이며, 각 현장에 6台의 기계만으로 200개의 현장에서 하루에 최대 100만 개의 FFR을 가동 가능한 확장성 있고 모듈식인 생산을 가능하게 하여 패an데믹 기간 동안의 글로벌 N95 부족 문제에 실현 가능한 해결책을 제공한다.

ABSTRACT

The COVID-19 pandemic has caused a global shortage of personal protective equipment. While existing supply chains are struggling to meet the surge in demand, the limited supply of N95 filtering facepiece respirators (FFRs) has placed healthcare workers at risk. This paper presents a method for scalable and distributed manufacturing of FFR filter material based on a combination of centrifugal melt spinning utilizing readily available cotton candy machines as an example. The proposed method produces nonwoven polypropylene fabric material with filtering efficiency of up to 96% for particles 0.30-0.49 μm in diameter. We additionally demonstrate a scalable means to test for filtration efficiency and pressure drop to ensure a standardized degree of quality in the output material. We perform preliminary optimization of relevant parameters for scale-up and propose that this is a viable method to rapidly produce up to one million N95 FFRs per day in distributed manner with just six machines per site operating across 200 locations. We share this work as a starting point for others to rapidly construct, replicate and develop their own affordable modular processes aimed at producing high quality filtration material to address the current FFR shortage globally.

연구 동기 및 목표

• 코로나19 패안데믹 기간 동안 자원이 제한된 지역에서 발생하는 글로벌 N95 여과 마스크 필터의 부족 문제를 해결한다.
• 접근 가능하고 저비용인 장비를 사용하여 고효율 FFR 필터 재료의 확장성 있고 분산된 제조 방법을 개발한다.
• 현지에서 생산된 재료의 여과 효율성과 압력 강하를 표준화된 테스트를 통해 품질 관리를 보장한다.
• 산업용 액체스피닝 설비 없이도 폴리프로필렌을 사용한 원심 액체스피닝(CMS)이 N95 수준의 성능을 달성할 수 있음을 입증한다.
• 모듈식이고 재현 가능한 공정을 통해 지역 사회에서 빠르게 FFR 제조를 구현할 수 있도록 한다.

제안 방법

• 상용 캔디 머신을 원심 액체스피닝(CMS) 장치로 활용하여 고속 회전을 통해 녹은 폴리프로필렌을 미세 섬유로 분사한다.
• 수집 드럼에 반도체 발전기(Van de Graaff generator)를 적용하여 전기적 충전(e-CMS)을 유도하였으며, 약 -18 kV의 안정된 전압을 달성하였다.
• 고전압 소스(4800 V)와 점 전극을 사용하여 코로나 충전을 시행하여 전기적 충전이 여과 성능에 미치는 기여도를 평가하였다.
• 표면 전하 밀도를 표면 직류 전압계를 사용하여 측정하였으며, 기기 전용 校정 계수(α = 3.6×10⁻¹⁴)를 적용하여 식 Q/A = αVf(f−1)를 사용하였으며, 여기서 f = √(1 + D²/(4L²))이다.
• 핸드헬드 입자 카운터(Lighthouse 3016)와 향을 연소시켜 입자 발생원으로 사용하여, 2.83 L/min의 유량에서 여과 효율을 측정하였다.
• 질량 유량계(SFM3300)와 압력 센서(Honeywell HSCDANN005PGSA3)를 사용하여 4.00 L/min의 공기 유량에서 압력 강하를 측정하였으며, 데이터는 아두이노 메가 마이크로컨트롤러를 통해 기록하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 캔디 머신과 같은 저비용·보편적인 장비를 사용한 원심 액체스피닝이 N95 수준의 여과 효율을 보이는 폴리프로필렌 비포장 섬유를 제조할 수 있는가?
• RQ2 e-CMS나 코로나 처리를 통한 전기적 충전이 CMS로 제조된 폴리프로필렌 섬유의 여과 성능을 어느 정도 향상시키는가?
• RQ3 현지 수준에서 여과 효율성과 압력 강하에 대한 표준화된 저비용 테스트 프로토콜을 구현하여 재료의 품질을 보장할 수 있는가?
• RQ4 회전 속도, 전압, 재료 공급 속도 등의 핵심 공정 매개변수는 무엇이며, 이를 최적화하여 확장성 있고 분산된 FFR 필터 제조를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 각 현장에 6台의 기계만을 사용하여 200개의 현장에서 하루에 100만 개의 N95 FFR을 생산하는 것이 가능한가?

주요 결과

• 수정된 캔디 머신을 사용한 원심 액체스피닝은 0.30–0.49 µm 입자에 대해 최대 96%의 여과 효율을 보이는 폴리프로필렌 비포장 섬유를 제조하였다.
• e-CMS(−18 kV)를 통한 전기적 충전이 여과 성능을 크게 향상시켰으며, 제공된 校정 식을 사용하여 표면 전하 밀도를 약 1.2×10⁻⁷ C/cm²로 추정하였다.
• 코로나 충전을 4800 V에서 30분 동안 시행한 결과 표면 전하가 증가하였지만, 그 이상 시간이 지나도 향상되지 않아 포화 상태에 도달한 것으로 나타났다.
• 마찰 전기 충전 실험을 통해 금속과 갈바닉판은 폴리프로필렌에 음성 전하를, 폴리스티렌은 양성 전하를 각각 부여하는 것으로 확인되었다.
• 압력 강하는 4.00 L/min의 공기 유량에서 캘리브레이션된 센서와 마이크로컨트롤러를 통해 측정되었으며, 표준화된 성능 검증이 가능해졌다.
• 제안된 방법은 각 현장에 6대의 CMS 기계만을 사용하여 200개의 현장에서 하루에 최대 100만 개의 N95 FFR을 생산할 수 있도록 확장성 있고 분산된 제조를 가능하게 하여 중앙 집중식 산업 생산의 실현 가능한 대안을 제공한다.