[论文解读] Project 1000 x 1000: Centrifugal melt spinning for distributed manufacturing of N95 filtering facepiece respirators

Anton Molina, Pranav Vyas+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2020

Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies参考文献 14被引用 6

一句话总结

本文提出了一种分布式、低成本的制造方法，利用改装的棉花糖机进行离心熔融纺丝（CMS），生产N95过滤式面罩（FFR）滤材。该技术可制备出对0.30–0.49 µm颗粒过滤效率高达96%的聚丙烯非织造纤维，并可在200个生产点、每个站点仅使用六台设备的情况下，实现每日百万个FFR的规模化、模块化生产，为疫情期间全球N95口罩短缺问题提供切实可行的解决方案。

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.

研究动机与目标

• 应对新冠疫情期间全球N95过滤式面罩（FFR）的短缺问题，特别是在资源有限的地区。
• 开发一种可扩展、去中心化的制造方法，利用易获取、低成本的设备生产高效FFR滤材。
• 通过本地生产的材料进行标准化测试，确保过滤效率和压降的质量控制。
• 证明仅使用聚丙烯的离心熔融纺丝（CMS）技术，无需工业级熔喷设备，即可实现N95级性能。
• 通过模块化、可复制的工艺流程，实现在本地社区快速部署FFR生产。

提出的方法

• 将商用棉花糖机改装为离心熔融纺丝（CMS）装置，通过高速旋转将熔融聚丙烯挤出成细纤维。
• 在收集滚筒上加装范德格拉夫起电机，实现静电充电（e-CMS），获得约-18 kV的稳定电压。
• 使用高压电源（4800 V）和点电极进行晕光充电，以评估静电对过滤性能的贡献。
• 利用表面直流电压表测量表面电荷密度，采用设备特异性校准系数（α = 3.6×10⁻¹⁴），应用公式 Q/A = αVf(f−1)，其中 f = √(1 + D²/(4L²))。
• 使用手持式粒子计数器（Lighthouse 3016）和香薰棒作为粒子源进行过滤性能测试，气流速率为2.83 L/min。
• 在4.00 L/min气流下，使用质量流量计（SFM3300）和压力传感器（Honeywell HSCDANN005PGSA3）测量压降，数据通过Arduino Mega微控制器记录。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可利用低成本、广泛可得的设备（如棉花糖机）进行离心熔融纺丝，制备出对0.30–0.49 µm颗粒具有N95级过滤效率的聚丙烯非织造纤维？
• RQ2 通过e-CMS或晕光处理实现的静电充电，在多大程度上可提升CMS制备的聚丙烯纤维的过滤性能？
• RQ3 是否可在本地层面实施标准化、低成本的过滤效率与压降测试协议，以确保材料质量？
• RQ4 哪些关键工艺参数（如转速、电压、进料速率）可被优化，以实现可扩展的分布式FFR滤材生产？
• RQ5 在200个生产点、每个站点仅使用六台设备的条件下，是否可行通过去中心化的CMS制造实现每日一百万个N95 FFR的产能？

主要发现

• 利用改装棉花糖机进行离心熔融纺丝，成功制备出对0.30–0.49 µm颗粒过滤效率高达96%的聚丙烯非织造纤维。
• 通过e-CMS（−18 kV）实现的静电充电显著提升了过滤性能，利用给定校准公式估算出表面电荷密度为1.2×10⁻⁷ C/cm²。
• 在4800 V电压下进行30分钟晕光充电可提升表面电荷，但超过该时间后性能不再改善，表明已达到饱和状态。
• 摩擦起电实验表明，金属和纸板等材料可使聚丙烯表面获得负电荷，而聚苯乙烯则引发正电荷。
• 在4.00 L/min气流下测得滤材压降，数据通过校准传感器与微控制器获取，支持标准化性能验证。
• 所提出的方法可实现规模化、分布式生产，仅需每个站点六台CMS设备，在200个生产点下，每日产能可达一百万个N95 FFR，为集中式工业生产提供切实可行的替代方案。