Technologia wytwarzania wysokoskutecznych kompozytów filtracyjnych

Pełna nazwa wynalazku: Technologia wytwarzania wysokoskutecznych kompozytów filtracyjnych do indywidualnej ochrony człowieka przed zagrożeniami nano- i bioaerozolami.

Istota wynalazku

Istotą wynalazku jest technologia wytwarzania kompozytów filtracyjnych, które stanowią materiał bazowy do konstrukcji półmasek i filtrów przeznaczonych do ochrony człowieka przed zagrożeniami nano- i bioaerozolami. Kompozyty filtracyjne były wytwarzane techniką pneumotermicznego formowania runa (melt-blown). Modyfikacji właściwości kompozytów dokonywano poprzez dodanie do strugi stopionego polimeru mikrodrobin o działaniu bakteriobójczym i/lub modyfikatorów w postaci cząstek, np. perlitu, przy jednoczesnym nanoszeniu ładunków elektrostatycznych na powierzchnię zmodyfikowanych włókien. Zadaniem cząstek modyfikatorów było wzmocnienie potencjału elektrostatycznego uzyskanego na włóknach w wyniku ich aktywacji elektrostatycznej, co zapewniało uzyskanie wysokiej skuteczności (wydajności) zatrzymywania nano i bio- zanieczyszczeń.

Na szczególne podkreślenie zasługuje aspekt prowadzenia prac technologicznych z nowym polimerem termoplastycznym poliwęglanem (PC), który dotychczas nie był szeroko stosowany w technologii melt-blown. Obecnie do produkcji materiałów filtracyjnych stosowanych do konstrukcji sprzętu ochrony układu oddechowego stosowany jest polipropylen. Polimer ten należy do grupy poliolefin, i ze względu na wykorzystanie światowych zasobów ropy naftowej i aspekty ochrony środowiska powinien być powoli zastępowany przez inny rodzaj polimeru. W tym zakresie wykorzystanie PC jest obiecującym rozwiązaniem.

Prace prowadzono z wykorzystaniem linii doświadczalnej będącej na wyposażeniu Zakładu Ochron Osobistych CIOP-PIB, w skład której wchodzą następujące urządzenia:
• wytłaczarka laboratoryjna firmy AXON typ BX 12,
• głowica włóknotwórcza,
• nagrzewnica powietrza,
• urządzenie odbiorcze,
• aktywator do nanoszenia ładunków elektrostatycznych.

Najważniejszym urządzeniem stanowiącym „serce” linii technologicznej jest głowica włóknotwórcza, która zapewnia docelową lepkość polimeru determinującą otrzymanie cienkich włókien poniżej 1 mikrometra. Zadaniem głowicy jest ostateczne dogrzanie stopu polimeru, który po wyjściu z dysz polimerowych jest rozdmuchiwany strumieniem gorącego powietrza tworząc elementarne włókna.

Istotną częścią wynalazku było opracowanie sposobu wprowadzania różnych modyfikatorów do technologii melt-blown z pominięciem stref wysokich temperatur (wytłaczarka). W tym celu opracowano nowe konstrukcje głowic włóknotwórczych, umożliwiające wprowadzenie modyfikatorów w postaci stałej lub płynnej bezpośrednio w strugę plastycznych włókien polimerowych. Opracowane warianty konstrukcji głowic włóknotwórczych umożliwiły wytwarzanie włókien z dowolnego typu polimeru termoplastycznego.

Modyfikator w postaci stałej lub ciekłej poprzez obrotowy dozownik dostarczany był przewodem łączącym do inżektora zasilanego sprężonym powietrzem. Wytwarzano aerozol modyfikator/powietrze, który podawany był bezpośrednio w strugę półpłynnego polimeru. Mieszanina włókien i modyfikatora była zbierana na powierzchni urządzenia odbierającego, tworząc zwarte runo – włókninę.

W przypadku modyfikatorów w postaci ciekłej urządzenie wprowadzające modyfikator przytwierdzono do głowicy włóknotwórczej tak, aby dysza tworząca aerozol znajdowała się na równi z powierzchnią wylotu dysz tworzących włókna polimerowe.
Oba rozwiązania umożliwiały trwałe połączenie cząstek wprowadzanych modyfikatorów z włóknami.

Korzyści

Obecnie do ochrony przez zanieczyszczeniami powietrza nano i bio-aerozolami stosowany jest standardowy sprzęt (filtry i półmaski filtrujące), który nie ma potwierdzonej skuteczności wobec nowych zagrożeń, związanych z rozwojem nanotechnologii i zagrożeniami czynnikami zakaźnymi. Ponieważ prognozuje się, że wykorzystywanie nanomateriałów, będzie główną siłą napędową postępu ekonomicznego i technologicznego w ciągu najbliższych 15 lat, i ze względu na fakt, że nadal istnieje zbyt mało danych dotyczących skutków zdrowotnych wywołanych nanomateriałami, można założyć, że w przyszłości liczba pracowników narażonych na działanie nanomateriałów gwałtownie wzrośnie. Stąd też potrzeba opracowania nowych materiałów filtracyjnych, które będą miały potwierdzoną skuteczność wobec nanoaerozoli. Równolegle szkodliwe czynniki biologiczne stanowią bardzo ważny problem medycyny pracy i zdrowia publicznego. Szacuje się, że w skali całego świata co najmniej kilkaset milionów ludzi narażonych jest w procesie pracy na działanie tych czynników. Wdychane wraz z pyłem mikroorganizmy i wytwarzane przez nie substancje stanowią poważne zagrożenie dla pracowników zatrudnionych w ochronie zdrowia, rolnictwie, leśnictwie, przemyśle rolno-spożywczym i drzewnym, biotechnologii oraz przetwórstwie odpadów komunalnych i przemysłowych. Znaczna część tych mikroorganizmów przenoszona jest drogą pyłową lub kropelkową.

Dlatego też duże znaczenie w działaniach profilaktycznych ma prawidłowy dobór i bezpieczne stosowanie sprzętu ochrony układu oddechowego. Szczególnie ważne jest zapewnienie, aby mikroorganizmy nie przeżywały we włókninach filtracyjnych sprzętu podczas jego długotrwałego stosowania na stanowiskach pracy. Liczne prace badawcze prowadzone szczególnie w laboratoriach Stanów Zjednoczonych Ameryki (USA) wskazały, że we włókninach powszechne jest zjawisko ich kolonizacji przez mikroorganizmy, co może prowadzić do sytuacji, w której sprzęt filtrujący nie gwarantuje bezpieczeństwa pracownikom narażonym na szkodliwe bioaerozole. Dzieje się to w sytuacji, gdy zatrzymane we włókninie filtracyjnej mikroorganizmy ponownie przedostaną się do strumienia powietrza oddechowego. Dlatego sprzęt ochrony układu oddechowego dedykowany do ochrony przez szkodliwym bioaerozolem powinien wykazywać działanie biobójcze w stosunku do szkodliwych mikroorganizmów obecnych w środowisku pracy. Opracowane przez autorów technologie zapewniają osiągniecie tej właściwości, co zostało potwierdzone w badaniach laboratoryjnych z wykorzystaniem nano i bio- aerozoli.

Potencjał komercjalizacji

Wynalazek jest obecnie w fazie komercjalizacji. Firma PricewaterhouseCoopers Polska Sp. z o.o podjęła decyzję o zakwalifikowaniu wynalazku do pilotażowego projektu BRIdge Mentor, mającego na celu jego komercjalizację. Przeprowadzono wstępną analizę możliwości komercjalizacji, potencjału rynkowego oraz ryzyk prawnych i technologicznych dotyczących uzyskanych wynalazków. Jednocześnie technologia została poddana wycenie przez firmę CoWinners, co pozwoliło na przyjęcie ścieżki komercjalizacji opartej na licencjonowaniu. Jednocześnie zakłada się, że będzie to licencja ograniczona do wskazanych pól eksploatacji (np. do półmasek filtrujących lub filtrów lub do urządzeń klimatyzacyjnych). Ponadto ze względu na wypracowane unikalne know-how, które stanowi zasadniczą część technologii możliwe będzie świadczenie specjalistycznych usług eksperckich.

Założono dwa główne etapy zawiązane bezpośrednio z komercjalizacją otrzymanych wyników badań:
- wdrożenie sposobu modyfikacji produkcji włóknin aktywizowanych elektrostatycznie w technice melt-blown oparte na głowicy do modyfikacji włóknin z wykorzystaniem know-how związanego z jej zaprojektowaniem i wdrożeniem do produkcji,
- wdrożenie sposobu konstrukcji sprzętu ochrony układu oddechowego na bazie wytworzonych włóknin wg opracowanych technologii tak, aby były one zarówno bardziej efektywne w produkcji (przyczyniając się w istotny sposób do obniżenia jej kosztów) oraz do zaoferowania bardziej skutecznego pod względem parametrów ochronnych wyrobu.