Undersøgelse giver ny indsigt i N95'ernes COVID-19 filtereffektivitet

Da COVID-19 blev erklæret for en pandemi i marts 2020, Oak Ridge National Laboratory's Parans Paranthaman pludselig befandt sig i at arbejde hjemmefra som millioner af andre.

Corporate Fellow i laboratoriets afdeling for kemiske videnskaber, han indså hurtigt, at hans baggrund inden for kemikalier i fast tilstand og materialer kunne gavne sundhedssektoren, der havde behov for udstyr, der kunne filtrere COVID-19's partikler af nanometerstørrelse.

"Merlin Theodore, der leder forskningsindsatsen på Carbon Fiber Technology Facility, ringede til mig og sagde:"Jeg er nødt til at forstå, hvilket materiale der vil fungere bedst på vores produktionslinje for at lave N95 -maskefiltermedier, og jeg har brug for at vide det i går, '"Huskede Paranthaman." Og hun spurgte, om vi ikke kunne bruge neutroner og nanovidenskabsfaciliteter til at bevise det. "

Theodore er en del af et team ledet af ORNL Corporate Fellow Lonnie Love, som koordinerede et COVID-19 produktionsforskningsrespons som en del af Department of Energy's National Virtual Biotechnology Laboratory. Teamet konsulterede også Peter Tsai, en pensioneret professor i University of Tennessee, der opfandt den elektrostatiske opladningsproces til oprettelse af N95 -filtermedier, for at lære at integrere kapaciteten hos CFTF.

"Vi havde aldrig prøvet noget lignende før i denne type tidsramme, "Paranthaman sagde." Vi øgede forskningen, der skulle have taget et år eller mere i en periode på et par uger med brug af industrien til sommer. "

"Men der er ingen udfordring, jeg ikke har mødt endnu. Formålet med min forskning er at finde løsninger."

Polypropylen fokus

Paranthamans forskningsresultater om N95 filtermedier, for nylig udgivet i ACS -anvendte polymermaterialer , skitsere videnskaben bag, hvad der førte til ORNLs succesrige produktion af materiale på CFTF's forløberproduktionslinje. Teknologien blev senere overført under brugeraftaler til to branchepartnere - Cummins og DemeTECH - til kommerciel brug, hvilket fører til levering af millioner af masker i hele USA, samt tilføjelse af tusindvis af job.

Som en af ​​de første undersøgelser af polypropylen, også kendt som PP, med hensyn til COVID-19, Paranthamans papir fungerer som en guide til at forstå, hvordan en ny virus reagerer på polymerbaserede materialer. PP har længe været branchens standardmateriale til filtrering, men forståelse for hvilke kommercielle forbindelser eller forstadier til materialet, der er bedst egnet til masseproduktion, kræver normalt tidskrævende forsøg og fejl.

"Vi havde en unik situation med COVID-19. Først, det er en ny virus med ikke meget kendt om det. Sekund, den er lille, fra 60 til 140 nanometer, hvilket betyder, at partiklerne er i stand til at trænge ind i de mindste åbninger. Og for det tredje, vi havde ikke tid til fejl, "Paranthaman forklarede." Vi skulle have et materiale, der kunne filtrere mere end 95 procent af disse submikronpartikler ud. Det skulle være praktisk talt uigennemtrængeligt, men samtidig, det skal være åndbart. "

N95-masken er lavet af to-lags PP, et ikke -vævet materiale, der er permanent elektrostatisk ladet med millioner af mikrofibre lagret oven på hinanden for at danne et ark. Theodores team på CFTF brugte smelteblæsning, som gør mikrofibre til et stof ved at ekstrudere en polymerharpiks gennem en matrice ved en høj lufthastighed, at producere tre prøver af kommerciel PP til paranthaman at evaluere.

"Vi brugte flere karakteriseringsmetoder på ORNL til bedre at forstå filtereffektiviteten af ​​PP og opfordrede til styrkerne ved brugerfaciliteter som Center for Nanophase Materials Sciences og Spallation Neutron Source, "Sagde Paranthaman.

Karakteriseringsmetoder inkluderede differentiel scanningskalorimetri for at måle mængden af ​​energi, der overføres mellem de smelteblæste fibre; Røntgendiffraktion for at forstå fibrernes krystalorientering eller tekstur; og neutronspredning for at studere molekylær vibration. Scanningelektronmikroskopi blev brugt til at forstå arrangementet af de smelteblæste fibre og deres mikrostruktur og til at karakterisere deres diametre.

"Det er vigtigt at forstå, hvor meget af partiklerne filteret stopper, "Sagde Paranthaman.

Teamet brugte natriumchlorid-aerosolpartikler, der efterlignede størrelsen af ​​COVID-19 til at trænge ind i filteret, målte derefter partiklerne, da de stødte på PP. To lag af den smelteblæste fiber blev stablet sammen til test med en luftstrømningshastighed på 50 liter pr. Minut.

Krystalklare resultater

Paranthamans forskning afslørede, at selv om råmaterialerne var næsten identiske i sammensætning, de fungerede meget forskelligt, når de blev opkrævet. Den mest bemærkelsesværdige forskel var i krystallisering, eller hvordan materialet størkner atomer og molekyler til en struktureret form.

"Vi sammenlignede ladet og ikke -ladet PP -materiale med et additiv og uden, "Paranthaman forklarede." Krystallisering havde en klar indvirkning på materialets evne til at filtrere i hvert eksempel; et større antal krystallitter danner en stærkere elektrisk ladning, hvilket fører til mere effektiv filtrering. "

Forskningsresultater fastslog endvidere, at materiale med højere begyndende temperaturer for krystallisation, langsommere krystallisering og et større antal mindre, mikroskopiske krystallitter er mere effektive ved filtrering. Paranthamans undersøgelse af PP -prøverne viste, hvilket materiale der sandsynligvis ville opfylde filtreringsmålet i stofvægt, effektivitet, modstand, fiberdiameter størrelse og procent af elektrostatisk opladning.

Ved udgangen af ​​april, CFTF producerede materiale, der filtrerede 99% af virussen. I maj, teknologien blev overført til industrien.

Forskerteamet vandt ORNL's Director's Award for Mission Support for den hurtige udvikling af N95 -filtermedier og teknologioverførsel. Men, Paranthaman sagde, det videnskabelige arbejde med N95 filtermedier er lige begyndt.

"Dette papir gav et tredimensionelt kig på materialerne, så vi kunne se alle ændringer i ladet fiber versus ikke-ladet, "Paranthaman sagde." Vi vidste, at opladningen reducerer fiberdiameteren, for eksempel, men det ændrer også porøsiteten, og det er afgørende for materialets ydeevne. Vores opfølgningspapir vil klart skitsere forskellene mellem opladet og ikke-ladet og give endnu større indsigt i N95-filtermedier. "

Titlen på ACS -anvendte polymermaterialer artiklen er "Polymerer, Tilsætningsstoffer, og behandlingseffekter på N95 filterydelse. "