Eine biologisch abbaubare Maske, die ihren Träger bequem schützen kann, ohne die Umwelt zu schädigen, ist dank der Forschung bei McMaster's der Realität einen Schritt näher gekommen Kompetenzzentrum für Schutzausrüstung und -materialien (CEPEM).
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Die Postdoktorandin Sneha Shanbhag und der Doktorand Rong Wu haben einen effektiven kompostierbaren und atmungsaktiven Luftfilter aus Maisprotein entwickelt.
Es ist ein Durchbruch, der eine nachhaltige Linie persönlicher Schutzausrüstung verspricht, sagt Ravi Selvaganapathy, Direktor des Zentrums, Professor für Maschinenbau und Biomedizintechnik bei McMaster.
Wege zur Ökologisierung der PSA-Industrie zu finden, war schon immer ein Ziel von CEPEM, das seine Türen im Juni 2020 als Reaktion auf den dringenden Bedarf an kanadischem Fachwissen auf diesem Gebiet öffnete.
„Viele der hochwertigen Filtermaterialien, die in PSA verwendet werden, werden aus Materialien aus fossilen Brennstoffen hergestellt, die sich in der Umwelt nicht auf natürliche Weise abbauen“, sagt Selvaganapathy.
"Dies sind Materialien für die Ewigkeit, die zurückbleiben, wenn sie nicht ordnungsgemäß entsorgt werden und es keinen guten Mechanismus gibt, um sie zu entsorgen."
Der Anblick von Haufen weggeworfener Gesichtsmasken motivierte Shanbhag und Wu, einen umweltfreundlicheren Weg zu finden, um die Sicherheit der Menschen zu gewährleisten.
„Wir legen beide großen Wert auf die Erde und die Umwelt und wollten, dass eine biologisch abbaubare Option entwickelt wird“, sagt Wu.
Das Paar untersuchte Zein, ein Maisprotein mit geringem Nährwert, das möglicherweise aus landwirtschaftlichen Abfällen gewonnen werden könnte, als kostengünstiges Polymer auf Pflanzenbasis.
Sie entwickelten ein brauchbares Filtermaterial durch Elektrospinnen von Zein auf eine Papierbasis. Sie verbesserten die Haltbarkeit und Beständigkeit des Filters gegenüber Feuchtigkeit, indem sie das Zein mit Zitronensäure vernetzten, um zu verhindern, dass es aufquillt, reißt oder sich von der Papierunterlage ablöst.
Und nach dem Testen verschiedener Designs stellten Shanbhag und Wu fest, dass das Stapeln der Fasern zu einem Faltenfilter die Atmungsaktivität bei längerem Gebrauch verbesserte, während die Filtrationsqualitäten, die einer N-95-Maske entsprechen, beibehalten wurden.
Versuche ergaben, dass das Material innerhalb von etwa einem Monat abgebaut werden würde, was es zu einer praktikablen, biologisch abbaubaren Alternative zu den Filtern auf Polypropylenbasis in Masken und Atemschutzgeräten macht.
„Ich denke, es gibt ein großes Interesse in der Industrie und der Forschungsgemeinschaft, biologisch abbaubare Materialien herzustellen, aber es gibt eine Lücke zwischen unserem Wissen über diese Materialien und ihrer Umwandlung in funktionelle PSA“, sagt Shanbhag.
„Wir haben die Gelegenheit erkannt, die Fähigkeiten des Zentrums zu nutzen, um etwas Nützliches zu entwickeln, das möglicherweise eine Lösung für die kommenden Jahre sein könnte.“
Die Forschung von Shanbhag und Wu, die sowohl von der Bundes- als auch von der Provinzregierung finanziert wurde, war veröffentlicht in der Zeitschrift Membranen März.
Die Forschung ist laut Selvaganapathy ein sehr vielversprechender Anfang für die Entwicklung von lebensfähiger, biologisch abbaubarer, in Kanada hergestellter PSA.
Neben der Integration antimikrobieller Eigenschaften in das Material wird das Zentrum die Verwendung anderer natürlicher Polymere wie Extrakte aus Maisschalen oder Weizen untersuchen, um die Struktur des Filters weiter zu verbessern.
„Wenn wir zum Beispiel Zellulose mit Zein mischen, um bessere strukturelle Eigenschaften zu erhalten, könnten wir diese Papierunterlage entfernen und hätten ein starkes Material mit guter Filtration.“
Die Verwendung von Pflanzenprodukten, die derzeit verschwendet werden, bietet eine kostengünstige Rohstoffversorgung, um biologisch abbaubare Masken finanziell wettbewerbsfähig zu halten, sagt Selvaganapathy.
Aber es lenkt diese Produkte auch aus dem Abfallstrom ab, wo sie sonst zu Treibhausgasen beitragen würden, wenn sie verbrannt oder auf Mülldeponien entsorgt würden.
Shanbhag entwickelt außerdem ein Material auf Biopolymerbasis mit elastischen Eigenschaften, das möglicherweise in Zukunft für Maskenohrbänder verwendet werden könnte.
Laut Selvaganapathy besteht großes Interesse an kostengünstigen, biologisch abbaubaren Materialien für PSA.
„Nachhaltigkeit ist für fast alle Hersteller in Kanada zu einem sehr wichtigen Kriterium geworden.“
CEPEM konzentriert den Einfallsreichtum der technischen Forschung von McMaster auf die Herausforderungen der PSA der nächsten Generation, sagt John Preston, stellvertretender Dekan, Forschung, Innovation und Außenbeziehungen der Fakultät für Ingenieurwissenschaften.
„Wir sehen unsere Forschung und Entwicklung dabei, kanadische Unternehmen dabei zu unterstützen, weltweite Branchenführer zu werden.“
Geschrieben von Kim Arnott
Quelle: McMaster University
