Published January 16, 2024
| Version v1
Publication
Open
Exploring advances in nanofiber-based face masks: a comprehensive review of mechanical, electrostatic, and antimicrobial functionality filtration for the removal of airborne particulate matter and pathogens
Creators
- 1. Edinburgh Napier University
- 2. Alexandria University
Description
Abstract The filtration of airborne particulate matter (PM) and aerosols utilizing nonwoven fibrous materials has received significant research concern due to the continuing global pandemics, especially the outbreak of coronavirus disease (COVID-19), and particularly for face masks as a measure of personal protection. Although spun-bond or melt-blown nonwoven fabrics are among the pioneer materials in the development of polymer microfiber-based face masks or air filters on a large scale, relatively new nonwoven manufacturing processes like electrospinning and solution blow spinning (SBS) are gaining momentum among manufacturers of filter membranes. The high filtration performance of nanofiber face masks is due to their high surface area to volume ratio which increases the interaction between the nanofiber and PM and improves the electrostatic charge distribution of electret filters, allowing enhanced capture capability based on electrostatic deposition. Moreover, the small diameter of nanofibrous filters improves the breathability of the face mask by providing the slip effect, which in turn reduces the pressure drop through the membrane. This paper provides a comprehensive review of contemporary advances in nanofiber face masks, detailing the working mechanism involved, reviewing recent experimental studies, and discussing improvements in filtration efficiency for three main nanofibrous air filtration strategies, including mechanical and electrostatic filtration and antimicrobial functionality. Furthermore, prospective research is introduced which considers the synergistic combination effects of the three filtration mechanisms in designing a multifunctional nanofiber structure that can efficiently capture a wide range of PM with higher filtration efficiency and lower drops in pressure. New trends in the antimicrobial activity of smart material-based nanofibrous membranes in the fight against infectious airborne agents are also described.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
تلقى ترشيح الجسيمات المحمولة جواً (PM) والهباء الجوي باستخدام مواد ليفية غير منسوجة مخاوف بحثية كبيرة بسبب استمرار الأوبئة العالمية، وخاصة تفشي مرض فيروس كورونا (COVID -19)، وخاصة بالنسبة لأقنعة الوجه كمقياس للحماية الشخصية. على الرغم من أن الأقمشة غير المنسوجة المغزولة أو المنصهرة هي من بين المواد الرائدة في تطوير أقنعة الوجه البوليمرية القائمة على الألياف الدقيقة أو مرشحات الهواء على نطاق واسع، إلا أن عمليات التصنيع غير المنسوجة الجديدة نسبيًا مثل الغزل الكهربائي وغزل نفخ المحلول (SBS) تكتسب زخمًا بين الشركات المصنعة لأغشية الترشيح. يرجع أداء الترشيح العالي لأقنعة الوجه المصنوعة من الألياف النانوية إلى ارتفاع مساحة السطح إلى نسبة الحجم مما يزيد من التفاعل بين الألياف النانوية و PM ويحسن توزيع الشحنة الكهروستاتيكية لمرشحات الكهرباء، مما يسمح بتعزيز القدرة على الالتقاط بناءً على الترسيب الكهروستاتيكي. علاوة على ذلك، فإن القطر الصغير للمرشحات الليفية النانوية يحسن من قابلية تهوية قناع الوجه من خلال توفير تأثير الانزلاق، والذي بدوره يقلل من انخفاض الضغط عبر الغشاء. تقدم هذه الورقة مراجعة شاملة للتطورات المعاصرة في أقنعة الوجه المصنوعة من الألياف النانوية، مع تفصيل آلية العمل المعنية، ومراجعة الدراسات التجريبية الحديثة، ومناقشة التحسينات في كفاءة الترشيح لثلاث استراتيجيات رئيسية لترشيح الهواء النانوي، بما في ذلك الترشيح الميكانيكي والكهربائي والوظائف المضادة للميكروبات. علاوة على ذلك، يتم تقديم بحث مستقبلي يأخذ في الاعتبار التأثيرات المركبة التآزرية لآليات الترشيح الثلاث في تصميم هيكل متعدد الوظائف من الألياف النانوية يمكنه التقاط مجموعة واسعة من الجسيمات الدقيقة بكفاءة ترشيح أعلى وانخفاض في الضغط. كما تم وصف الاتجاهات الجديدة في النشاط المضاد للميكروبات للأغشية الليفية النانوية الذكية القائمة على المواد في مكافحة العوامل المعدية المحمولة جواً.Translated Description (French)
Résumé La filtration des particules en suspension dans l'air (MP) et des aérosols à l'aide de matériaux fibreux non tissés a suscité d'importantes préoccupations en matière de recherche en raison des pandémies mondiales persistantes, en particulier l'épidémie de maladie à coronavirus (COVID-19), et en particulier pour les masques faciaux en tant que mesure de protection personnelle. Bien que les non-tissés filés-liés ou soufflés à l'état fondu soient parmi les matériaux pionniers dans le développement de masques faciaux ou de filtres à air à base de microfibres polymères à grande échelle, les procédés de fabrication de non-tissés relativement nouveaux tels que l'électrofilage et le filage par solution-soufflage (SBS) gagnent du terrain parmi les fabricants de membranes filtrantes. La performance de filtration élevée des masques faciaux en nanofibres est due à leur rapport surface/volume élevé qui augmente l'interaction entre la nanofibre et la PM et améliore la distribution de la charge électrostatique des filtres à électret, permettant une capacité de capture améliorée basée sur le dépôt électrostatique. De plus, le petit diamètre des filtres nanofibres améliore la respirabilité du masque facial en fournissant l'effet glissant, ce qui réduit à son tour la chute de pression à travers la membrane. Cet article fournit un examen complet des progrès contemporains dans les masques faciaux en nanofibres, détaillant le mécanisme de travail impliqué, passant en revue les études expérimentales récentes et discutant des améliorations de l'efficacité de filtration pour trois principales stratégies de filtration de l'air en nanofibres, y compris la filtration mécanique et électrostatique et la fonctionnalité antimicrobienne. En outre, une recherche prospective est introduite qui considère les effets de combinaison synergiques des trois mécanismes de filtration dans la conception d'une structure de nanofibres multifonctionnelle qui peut capturer efficacement une large gamme de particules avec une efficacité de filtration plus élevée et des chutes de pression plus faibles. De nouvelles tendances dans l'activité antimicrobienne des membranes nanofibres à base de matériaux intelligents dans la lutte contre les agents infectieux en suspension dans l'air sont également décrites.Translated Description (Spanish)
Resumen La filtración de partículas en suspensión en el aire (PM) y aerosoles que utilizan materiales fibrosos no tejidos ha recibido una importante preocupación de investigación debido a las continuas pandemias mundiales, especialmente el brote de la enfermedad por coronavirus (COVID-19), y particularmente para las mascarillas como medida de protección personal. Aunque las telas no tejidas hiladas o sopladas en estado fundido se encuentran entre los materiales pioneros en el desarrollo de máscaras faciales basadas en microfibras poliméricas o filtros de aire a gran escala, los procesos de fabricación de telas no tejidas relativamente nuevos como el electrohilado y el hilado por soplado en solución (SBS) están ganando impulso entre los fabricantes de membranas de filtro. El alto rendimiento de filtración de las mascarillas faciales de nanofibra se debe a su alta relación entre área de superficie y volumen, lo que aumenta la interacción entre la nanofibra y la PM y mejora la distribución de carga electrostática de los filtros de electreto, lo que permite una mayor capacidad de captura basada en la deposición electrostática. Además, el pequeño diámetro de los filtros nanofibrosos mejora la transpirabilidad de la mascarilla al proporcionar el efecto deslizante, que a su vez reduce la caída de presión a través de la membrana. Este documento proporciona una revisión exhaustiva de los avances contemporáneos en mascarillas faciales de nanofibra, detallando el mecanismo de trabajo involucrado, revisando estudios experimentales recientes y discutiendo las mejoras en la eficiencia de filtración para tres estrategias principales de filtración de aire nanofibroso, incluida la filtración mecánica y electrostática y la funcionalidad antimicrobiana. Además, se introduce una investigación prospectiva que considera los efectos de combinación sinérgica de los tres mecanismos de filtración en el diseño de una estructura de nanofibras multifuncional que puede capturar de manera eficiente una amplia gama de PM con una mayor eficiencia de filtración y menores caídas de presión. También se describen las nuevas tendencias en la actividad antimicrobiana de las membranas nanofibrosas inteligentes basadas en materiales en la lucha contra los agentes infecciosos en el aire.Files
s42247-023-00622-9.pdf.pdf
Files
(4.1 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:96d2ce20206bbde829bf2a234f0e3caa
|
4.1 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- استكشاف التطورات في أقنعة الوجه القائمة على الألياف النانوية: مراجعة شاملة للترشيح الوظيفي الميكانيكي والكهربائي والمضاد للميكروبات لإزالة الجسيمات ومسببات الأمراض المحمولة جواً
- Translated title (French)
- Explorer les progrès des masques faciaux à base de nanofibres : un examen complet de la filtration des fonctionnalités mécaniques, électrostatiques et antimicrobiennes pour l'élimination des particules en suspension dans l'air et des agents pathogènes
- Translated title (Spanish)
- Explorando los avances en las mascarillas faciales a base de nanofibras: una revisión exhaustiva de la filtración de la funcionalidad mecánica, electrostática y antimicrobiana para la eliminación de partículas en el aire y patógenos
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4390904134
- DOI
- 10.1007/s42247-023-00622-9
References
- https://openalex.org/W1577748355
- https://openalex.org/W1587446393
- https://openalex.org/W1843114467
- https://openalex.org/W1976038886
- https://openalex.org/W1987298456
- https://openalex.org/W1988162931
- https://openalex.org/W1991726867
- https://openalex.org/W1993378267
- https://openalex.org/W1996245666
- https://openalex.org/W1996501474
- https://openalex.org/W2000754396
- https://openalex.org/W2013202279
- https://openalex.org/W2013609608
- https://openalex.org/W2017675626
- https://openalex.org/W2027423154
- https://openalex.org/W2028428826
- https://openalex.org/W2028524298
- https://openalex.org/W2030522815
- https://openalex.org/W2037727624
- https://openalex.org/W2038635296
- https://openalex.org/W2039755451
- https://openalex.org/W2048421952
- https://openalex.org/W2049661780
- https://openalex.org/W2052468382
- https://openalex.org/W2054970259
- https://openalex.org/W2060078807
- https://openalex.org/W2060370684
- https://openalex.org/W2065059025
- https://openalex.org/W2066579554
- https://openalex.org/W2066742389
- https://openalex.org/W2070007934
- https://openalex.org/W2085552794
- https://openalex.org/W2087096922
- https://openalex.org/W2087602803
- https://openalex.org/W2091652212
- https://openalex.org/W2104221133
- https://openalex.org/W2110642136
- https://openalex.org/W2112835254
- https://openalex.org/W2121685612
- https://openalex.org/W2122701663
- https://openalex.org/W2131818949
- https://openalex.org/W2133979815
- https://openalex.org/W2138848677
- https://openalex.org/W2140247361
- https://openalex.org/W2146967501
- https://openalex.org/W2150751323
- https://openalex.org/W2151176772
- https://openalex.org/W2151709658
- https://openalex.org/W2161354557
- https://openalex.org/W2165186446
- https://openalex.org/W2168100296
- https://openalex.org/W2199172748
- https://openalex.org/W2220528754
- https://openalex.org/W2223998303
- https://openalex.org/W2237620642
- https://openalex.org/W2260164880
- https://openalex.org/W2314049344
- https://openalex.org/W2336560014
- https://openalex.org/W2345975623
- https://openalex.org/W2460746098
- https://openalex.org/W2465026828
- https://openalex.org/W2516465864
- https://openalex.org/W2551234371
- https://openalex.org/W2564609178
- https://openalex.org/W2570670176
- https://openalex.org/W2590086682
- https://openalex.org/W2591893854
- https://openalex.org/W2600520798
- https://openalex.org/W2607681576
- https://openalex.org/W2609037865
- https://openalex.org/W2612594065
- https://openalex.org/W2739225697
- https://openalex.org/W2767724878
- https://openalex.org/W2772242828
- https://openalex.org/W2772622346
- https://openalex.org/W2775569101
- https://openalex.org/W2782504532
- https://openalex.org/W2787068963
- https://openalex.org/W2787218191
- https://openalex.org/W2788331934
- https://openalex.org/W2792193182
- https://openalex.org/W2793356372
- https://openalex.org/W2793587021
- https://openalex.org/W2803350751
- https://openalex.org/W2803973090
- https://openalex.org/W2884113598
- https://openalex.org/W2885409397
- https://openalex.org/W2885720147
- https://openalex.org/W2895476835
- https://openalex.org/W2898781159
- https://openalex.org/W2901428350
- https://openalex.org/W2901630131
- https://openalex.org/W2904290637
- https://openalex.org/W2906629371
- https://openalex.org/W2908751508
- https://openalex.org/W2909444056
- https://openalex.org/W2920549547
- https://openalex.org/W2931187565
- https://openalex.org/W2933526156
- https://openalex.org/W2938262643
- https://openalex.org/W2944760312
- https://openalex.org/W2947950474
- https://openalex.org/W2963881928
- https://openalex.org/W2964038779
- https://openalex.org/W2966983499
- https://openalex.org/W2967973612
- https://openalex.org/W2972800496
- https://openalex.org/W2979293104
- https://openalex.org/W2982327614
- https://openalex.org/W2989785195
- https://openalex.org/W2992196171
- https://openalex.org/W2996829064
- https://openalex.org/W3002766386
- https://openalex.org/W3005269120
- https://openalex.org/W3006151094
- https://openalex.org/W3013490518
- https://openalex.org/W3014448531
- https://openalex.org/W3016313172
- https://openalex.org/W3018174249
- https://openalex.org/W3018363786
- https://openalex.org/W3020033228
- https://openalex.org/W3026473893
- https://openalex.org/W3030030602
- https://openalex.org/W3032868046
- https://openalex.org/W3033262321
- https://openalex.org/W3036312801
- https://openalex.org/W3036851302
- https://openalex.org/W3038406722
- https://openalex.org/W3044599607
- https://openalex.org/W3048160135
- https://openalex.org/W3048794605
- https://openalex.org/W3048946657
- https://openalex.org/W3049120120
- https://openalex.org/W3080573318
- https://openalex.org/W3082862084
- https://openalex.org/W3084020600
- https://openalex.org/W3087494393
- https://openalex.org/W3091829635
- https://openalex.org/W3091985208
- https://openalex.org/W3093061534
- https://openalex.org/W3107089980
- https://openalex.org/W3112921996
- https://openalex.org/W3119001899
- https://openalex.org/W3119213586
- https://openalex.org/W3126563363
- https://openalex.org/W3129436325
- https://openalex.org/W3129444979
- https://openalex.org/W3134859695
- https://openalex.org/W3136388577
- https://openalex.org/W3150083889
- https://openalex.org/W3156259167
- https://openalex.org/W3157041448
- https://openalex.org/W3158946967
- https://openalex.org/W3172517754
- https://openalex.org/W3172872219
- https://openalex.org/W3194648837
- https://openalex.org/W3201115104
- https://openalex.org/W3204157405
- https://openalex.org/W3206299120
- https://openalex.org/W3210181320
- https://openalex.org/W4205631948
- https://openalex.org/W4206380514
- https://openalex.org/W4210451243
- https://openalex.org/W4211243354
- https://openalex.org/W4220699094
- https://openalex.org/W4220911642
- https://openalex.org/W4280517407
- https://openalex.org/W4280622631
- https://openalex.org/W4281399553
- https://openalex.org/W4283119366
- https://openalex.org/W4283447261
- https://openalex.org/W4283778746
- https://openalex.org/W4284690808
- https://openalex.org/W4287448191
- https://openalex.org/W4296848268
- https://openalex.org/W4297140990
- https://openalex.org/W4307287020
- https://openalex.org/W4309022932
- https://openalex.org/W4309521725
- https://openalex.org/W4311967499
- https://openalex.org/W4312053040
- https://openalex.org/W4312056335
- https://openalex.org/W4313897881
- https://openalex.org/W4318817824
- https://openalex.org/W4321460739
- https://openalex.org/W4321480067
- https://openalex.org/W4323545660
- https://openalex.org/W4363674619
- https://openalex.org/W4366241060
- https://openalex.org/W4366824109
- https://openalex.org/W4367682374
- https://openalex.org/W4367834080
- https://openalex.org/W4375950469
- https://openalex.org/W4376609633
- https://openalex.org/W4376868756
- https://openalex.org/W4377042631
- https://openalex.org/W4377103170
- https://openalex.org/W4381194132
- https://openalex.org/W4381335418
- https://openalex.org/W4381850024
- https://openalex.org/W4383532035
- https://openalex.org/W4383602826
- https://openalex.org/W4385844273
- https://openalex.org/W4386212162
- https://openalex.org/W4386629570
- https://openalex.org/W4386951420
- https://openalex.org/W4387473715
- https://openalex.org/W4387566497
- https://openalex.org/W4388935399
- https://openalex.org/W818722057