생분해성 플라스틱 (Biodegradable plastic)

 - 현재 전례없는 코로나 바이러스 전염병 (COVID-19)은 안면 마스크에 대한 엄청난 수요를 주도하고 있습니다. 세계 보건기구 (WHO)는 올해 매달 8,900 만 개의 의료용 마스크가 필요하다고 추정합니다. 의료 전문가에게는 고효율 N95 레벨 마스크가 필요하며 모든 개인 일반 마스크는 이러한 호흡기 감염을 방지하기위한 필수 일상 장비가 되었습니다. 더욱이 관련 부처에서는 일회용 마스크를 매일 사용할 것을 강력히 권고했습니다. 이는 대량의 마스크 폐기물과 관련된 환경 문제를 야기했습니다.

 

 - 일반적으로 기존의 섬유질 필터는 나노 섬유 기반 물리적 체질과 마이크로 섬유 기반 정전기 흡착을 통해 두 가지 다른 방식으로 포착합니다. 나노 섬유 기반 필터, 특히 전기 방사 나노 섬유 매트의 사용은 광범위한 재료 가용성과 제어 가능한 제품 구조의 결과로 효과적인 제조공정으로 확인되었습니다. 나노 섬유 매트 입자 사이의 크기 차이에 귀속되는 세공 크기 타겟 입자를 제거 할 수 있습니다. 그러나 나노 스케일 섬유는 매우 작은 기공을 형성하기 위해 조밀하게 적층되어야 하는데, 이는 관련 높은 압력 차이로 인해 편안한 인간 호흡에 해롭습니다.

 

 - 한편, 고 에너지 전기장에 의해 정전기로 대전되는 멜트 블로우 극세사 매트는 정전기 흡착을 통해 극히 작은 입자를 포착합니다. N95의 마스크는, 대표적인 예로서,이 공기 입자의 적어도 95 %를 필터링한다는 점에서, 산업 안전과 건강에 대한 미국 국립 연구소의 요건을 만족하는 입자 여과 마스크입니다. 이 유형의 필터는 통상, SO와 같은 음이온 성 물질로 구성되어 있습니다. 강한 정전기 인력을 통해 초미립자 질소 및 황산화물을 흡착합니다. 그러나 섬유 매트의 표면 정전기 전하는 습한 사람의 호흡에서 발견되는 습한 환경에서 쉽게 소멸되어 흡착 능력이 저하됩니다.

 

 - 여과 성능을 더욱 향상 시키거나 제거 효율과 압력의 균형을 맞추기 위해 나노 섬유 및 마이크로 섬유 기반 필터는 탄소 재료, 금속 유기 프레임 워크 및 폴리 테트라 플루오로 에틸렌 나노 입자와 같은  재료와 함께 사용됩니다.  그러나, 이러한 첨가제 및 충전 손실의 불확실한 생물 독성은 피할 수 없는 문제가 남아 있습니다. 특히 두 가지 유형의 기존 필터는 일반적으로 분해되지 않으며 결과적으로 결국 매립지에 매립되거나 사용 후 소각됩니다. 따라서 이러한 낭비 문제를 해결하고 동시에 만족스럽고 기능적인 방식으로 질소 및 황산화물을 포착하는 개선 된 안면 마스크 필터의 개발이 현재 중요한 요구 사항입니다.

 

 - 대유행 1 년이 지난 지금, SARS-CoV-2 바이러스의 전염은 공기 중의 물방울이나 작은 에어로졸 입자를 통해 발생한다는 것이 잘 알려져 있습니다. 그 결과 전 세계의 많은 정부가 공공 장소에서 사회적 거리두기와 마스크 착용을 의무화 했습니다. 그 동안 플라스틱 오염의 엄청난 양 : COVID-19의 확산을 방지함에 따라 마스크 폐기량 증가와 같은 2 차 문제를 만듭니다.

 

 - 한국 화학 연구원 (KRICT) 바이오 기반 화학 연구 센터 황성연 교수는 “생분해 성 마스크가 이 문제에 대한 해답이라고 대답하였습니다. "오염된 플라스틱 마스크는 재활용이 어려우며 소각하거나 매립지로 보내야합니다." 의료용 마스크는 일반적으로 폴리 프로필렌 플라스틱을 사용하여 만들어졌지만 오동엽 교수, 박제영 교수는 플라스틱 폐기물을 억제하는 생분해 성 필터를 만들기 위해 향상된 특성을 가진 대체 재료를 제안합니다.

 

 - Advanced Science에 최근 발표 된 연구에서 연구원들은 키토산 나노 위스커(갑각류 껍질로 만든 양전하 극세사)로 코팅된 생분해성 플라스틱 수지인 Polybutylene succinate (PBS)로 만든 생분해성 내습성 마스크 필터를 보고했습니다.

필터 재료는 팀이 "부직포"직물로 분류하는 것으로, 섬유 또는 필라멘트를 엉킴으로써 함께 결합 된 구조의 시트 또는 웹입니다. “대부분의 필터는 기본적으로 부직포로 만들어집니다. 공기 중의 입자가 갇힐 수 있는 섬유 사이에 작은 기공이 있기 때문입니다.”라고 오동엽 교수가 말했습니다.

 

전기 방사 설정 ​​ 및 PBS 섬유 매트의 제조공정 개략도

 

 - 필터를 만들기 위해, 오동엽 교수는 용해 된 PBS를 포함하는 용액이 적용된 전기장의 영향을 받고있는 주사기 바늘을 천천히 통과한다고 설명했습니다. 오씨는“직경이 수 마이크로 미터인 솜사탕 같은 초극세 섬유가 전기장의 힘에 의해 주사기 끝에서 바닥으로 떨어졌다”고 덧붙였다. "시간이 지남에 따라 축적 된 섬유는 부직포 인 필름을 만듭니다."라고 그는 말했습니다. SARS-CoV-2 에어로졸과 같은 작은 입자에 대해 자체적으로 성능이 부족한이 예비 필터는 키토산 나노 위스커  코팅으로 강화됩니다. 나노 위스커 용액에 필터를 담그면 생분해 성 필터가 영구적으로 코팅되고 나노 위스커의 양전하로 인해 작은 입자를 포착하는 능력이 증가합니다.

 

“현재의 폴리 프로필렌 필터는 필터 성능을 향상시키기 위해 정전기로 충전됩니다. 그러나 단점은 습식 환경 (즉, 착용자가 숨을 쉴 때)에서 정전기가 손실되어 필터를 재사용 할 수 없다는 것입니다. 반면에 키토산 나노 위스커는 영구적으로 양전하를 띠기 때문에 습한 환경에서도 미세 입자를 흡착합니다. 이는 마스크 필터를 재사용 할 수 있음을 의미합니다.”

 

“감염 예방은 마스크 필터의 성능에 비례합니다. “옷감 마스크는 물방울을 차단할 때 좋지 않으며 N95와 같은 고성능 마스크는 습기에 의해 점차 약화됩니다. 재사용 가능한 마스크 필터는 물에 잠긴 후에도 성능을 유지하고 오랫동안 높은 성능을 유지합니다.”

 

개발된 생분해성 PBS 필터의 시간 의존적 효소 분해 이미지 및 시간의 함수로서 해당하는 중량 감소 데이터 . 그리고 퇴비화 토양에서 시간 경과에 따른 CsW 코팅 PBS 필터의 분해를 보여주는 이미지.

 

- 연구팀의 실험은 생분해성 필터가 N95 필터만큼 효율적이라는 것을 보여 주며, 테스트에서 2.5 µm (PM2.5) 입자의 98.3 %를 제거하고 퇴비화 토양에서 4 주 이내에 분해되는 것을 확인했습니다. 연구진은 전기 방사 (electrospinning)라는 공정을 통해 생분해성 필터를 제조했는데, 이는 이미 업계에서 널리 사용되는 기술이며, 이 기술은 상업적 가용성을 촉진하기를 희망합니다. 황성연 교수는 “모든 필터 제조업체는 PBS와 같은 생분해성 플라스틱을 구입하여 부직포 필터를 만들 수 있습니다. 또한 우리는 이 기술이 산업적 규모로 구현하기 쉬울 것이며 매우 영향력이 있을 것이라고 생각합니다."라고 인터뷰 하였습니다.

 

 

< 출 처 >

 

Choi, S., Jeon, H., Jang, M., Kim, H., Shin, G., Koo, J. M., ... & Hwang, S. Y. (2021). Biodegradable, Efficient, and Breathable Multi‐Use Face Mask Filter. Advanced Science, 8(6), 2003155..

 

First published: 29 January 2021 / https://doi.org/10.1002/advs.202003155

 

제목 : Biodegradable, Efficient, and Breathable Multi-Use Face Mask Filter

 

저자 : Sejin Choi, Hyeonyeol Jeon, Min Jang, Hyeri Kim, Giyoung Shin, Jun Mo Koo, Minkyung Lee, Hye Kyeong Sung, Youngho Eom, Ho-Sung Yang, Jonggeon Jegal, Jeyoung Park, Dongyeop X. Oh, Sung Yeon Hwang