Toen COVID-19 in maart 2020 tot pandemie werd uitgeroepen, Parans Paranthaman van Oak Ridge National Laboratory merkte dat hij plotseling, net als miljoenen anderen, vanuit huis werkte.

Een Corporate Fellow in de Chemical Sciences Division van het lab, hij realiseerde zich al snel dat zijn achtergrond in vastestofchemie en materialen ten goede zouden kunnen komen aan de gezondheidszorg die apparatuur nodig heeft die de nanometer-deeltjes van COVID-19 kan filteren.

"Merlijn Theodorus, die de onderzoeksinspanningen leidt bij de Carbon Fiber Technology Facility, belde me en zei:"Ik moet begrijpen welk materiaal het beste presteert op onze productielijn om N95-maskerfiltermedia te maken, en ik moet dit gisteren weten, '" herinnerde Paranthaman zich. "En ze vroeg of we neutronen en nanowetenschapsfaciliteiten konden gebruiken om het te bewijzen."

Theodore maakt deel uit van een team onder leiding van ORNL Corporate Fellow Lonnie Love, die een COVID-19-productieonderzoeksreactie coördineerde als onderdeel van het National Virtual Biotechnology Laboratory van het Department of Energy. Het team raadpleegde ook Peter Tsai, een gepensioneerde professor aan de Universiteit van Tennessee die het elektrostatische laadproces uitvond voor het maken van N95-filtermedia, om te leren hoe u de capaciteit van de CFTF kunt integreren.

"We hadden nog nooit zoiets geprobeerd in dit soort tijdsbestek, "Zei Paranthaman. "We waren bezig met het opvoeren van onderzoek dat een jaar of langer had moeten duren in een periode van een paar weken, met gebruik door de industrie tegen de zomer."

"Maar er is geen uitdaging die ik nog niet ben tegengekomen. Het doel van mijn onderzoek is om oplossingen te vinden."

Polypropyleen focus

Paranthaman's onderzoeksresultaten op de N95 filtermedia, onlangs gepubliceerd in ACS toegepaste polymeermaterialen , schets de wetenschap achter wat leidde tot de succesvolle productie van materiaal door ORNL op de productielijn voor precursoren van de CFTF. De technologie werd later op basis van gebruikersovereenkomsten overgedragen aan twee industriepartners - Cummins en DemeTECH - voor commercieel gebruik, wat leidt tot de levering van miljoenen maskers in de VS, evenals het toevoegen van duizenden banen.

Als een van de eerste onderzoeken naar polypropyleen, ook bekend als PP, met betrekking tot COVID-19, Het artikel van Paranthaman dient als een gids om te begrijpen hoe een nieuw virus reageert op op polymeren gebaseerde materialen. PP is al lang het industriestandaardmateriaal voor filtratie, maar om te begrijpen welke commerciële verbindingen of voorlopers van het materiaal het meest geschikt zijn voor massaproductie, is meestal tijdrovend vallen en opstaan.

"We hadden een unieke situatie met COVID-19. Ten eerste, het is een nieuw virus waar niet veel over bekend is. Tweede, het is klein, variërend van 60 tot 140 nanometer, wat betekent dat de deeltjes in staat zijn om de kleinste openingen binnen te dringen. En ten derde, we hadden geen tijd voor fouten, " legde Paranthaman uit. "We moesten een materiaal hebben dat meer dan 95 procent van deze submicrondeeltjes kon uitfilteren. Het moest vrijwel ondoordringbaar zijn, maar op het zelfde moment, het moet ademend zijn."

Het N95-masker is gemaakt van tweelaags PP, een niet-geweven materiaal dat permanent elektrostatisch is geladen met miljoenen microvezels die op elkaar zijn gelaagd om een ​​vel te vormen. Theodore's team bij de CFTF gebruikte smeltblazen, die microvezels tot een stof maakt door een polymeerhars met een hoge luchtsnelheid door een matrijs te extruderen, om drie monsters van commerciële kwaliteit PP te produceren die Paranthaman kan evalueren.

"We gebruikten verschillende karakteriseringsmethoden bij ORNL om de filterefficiëntie van PP beter te begrijpen en deden een beroep op de sterke punten van gebruikersfaciliteiten zoals het Center for Nanophase Materials Sciences en de Spallation Neutron Source, ' zei Paranthamaan.

Karakteriseringsmethoden omvatten differentiële scanningcalorimetrie om de hoeveelheid energie te meten die tussen de smeltgeblazen vezels wordt overgedragen; Röntgendiffractie om de kristaloriëntatie of textuur van de vezels te begrijpen; en neutronenverstrooiing om de moleculaire vibratie te bestuderen. Scanning-elektronenmicroscopie werd gebruikt om de rangschikking van de smeltgeblazen vezels en hun microstructuur te begrijpen en om hun diameters te karakteriseren.

"Het is belangrijk om te begrijpen hoeveel van de deeltjes het filter stopt, ' zei Paranthamaan.

Het team gebruikte natriumchloride-aerosoldeeltjes die de grootte van COVID-19 nabootsten om het filter te penetreren, vervolgens de deeltjes gemeten toen ze de PP tegenkwamen. Twee lagen van de smeltgeblazen vezel werden voor testen op elkaar gestapeld met een luchtstroomsnelheid van 50 liter per minuut.

Kristalheldere resultaten

Uit Paranthaman's onderzoek bleek dat hoewel de grondstoffen qua samenstelling bijna identiek waren, ze presteerden heel anders wanneer ze werden opgeladen. Het meest opvallende verschil was in kristallisatie, of hoe het materiaal atomen en moleculen stolt tot een gestructureerde vorm.

"We vergeleken geladen en niet-geladen PP-materiaal met een additief en zonder, " legde Paranthaman uit. "Kristalisatie had in elk voorbeeld een duidelijke invloed op het vermogen van het materiaal om te filteren; een groter aantal kristallieten vormen een sterkere elektrische lading, wat leidt tot een effectievere filtratie."

Onderzoeksresultaten hebben verder vastgesteld dat materiaal met hogere aanvangstemperaturen van kristallisatie, langzamere kristallisatie en een groter aantal kleinere, microscopisch kleine kristallieten is effectiever bij filtratie. Paranthaman's studie van de PP-monsters toonde aan welk materiaal waarschijnlijk zou voldoen aan het filtratiedoel in weefselgewicht, efficiëntie, weerstand, vezeldiameter en percentage elektrostatische oplading.

Tegen eind april, de CFTF produceerde materiaal dat 99% van het virus filterde. Tegen mei, de technologie werd overgedragen aan de industrie.

Het onderzoeksteam won ORNL's Director's Award for Mission Support voor de snelle ontwikkeling van de N95-filtermedia en technologieoverdracht. Maar, Paranthaman zei, het wetenschappelijke werk aan N95-filtermedia is nog maar net begonnen.

"Dit papier gaf een driedimensionale kijk op de materialen, zodat we alle veranderingen in geladen vezels versus niet-geladen konden zien, "Zei Paranthaman. "We wisten dat het opladen de vezeldiameter vermindert, bijvoorbeeld, maar het verandert ook de porositeit, en dat is cruciaal voor de prestaties van het materiaal. Ons vervolgdocument zal de verschillen tussen geladen en niet-geladen duidelijk schetsen en nog meer inzicht geven in N95-filtermedia."

De titel van de ACS toegepaste polymeermaterialen artikel is "Polymeren, additieven, en verwerkingseffecten op N95-filterprestaties."