Lorsque COVID-19 a été déclaré pandémie en mars 2020, Parans Paranthaman, du Laboratoire national d'Oak Ridge, s'est soudainement retrouvé à travailler à domicile comme des millions d'autres.

Un Corporate Fellow dans la division des sciences chimiques du laboratoire, il s'est rapidement rendu compte que son expérience en chimie et matériaux à l'état solide pourrait profiter à la communauté des soins de santé ayant besoin d'équipements capables de filtrer les particules nanométriques de COVID-19.

"Merlin Théodore, qui dirige les efforts de recherche à la Carbon Fiber Technology Facility, m'a appelé et m'a dit, « J'ai besoin de comprendre quel matériau fonctionnera le mieux sur notre ligne de production pour fabriquer des médias filtrants pour masques N95, et j'ai besoin de le savoir hier, '" Se souvient Paranthaman. "Et elle a demandé si nous pouvions utiliser des neutrons et des installations de nanosciences pour le prouver."

Theodore fait partie d'une équipe dirigée par ORNL Corporate Fellow Lonnie Love, qui coordonnait une réponse de recherche de fabrication COVID-19 dans le cadre du laboratoire national virtuel de biotechnologie du ministère de l'Énergie. L'équipe a également consulté Peter Tsai, un professeur à la retraite de l'Université du Tennessee qui a inventé le processus de charge électrostatique pour créer des médias filtrants N95, pour apprendre à intégrer la capacité à la CFTF.

"Nous n'avions jamais tenté quelque chose comme ça auparavant dans ce type de délai, ", a déclaré Paranthaman. "Nous intensifions des recherches qui auraient dû prendre un an ou plus sur une période de quelques semaines avec une utilisation par l'industrie d'ici l'été."

"Mais il n'y a pas de défi que je n'ai pas encore relevé. Le but de mes recherches est de trouver des solutions."

Mise au point en polypropylène

Les résultats des recherches de Paranthaman sur le média filtrant N95, récemment publié dans Matériaux polymères appliqués ACS , décrire la science derrière ce qui a conduit à la production réussie de matériel par ORNL sur la chaîne de production de précurseurs du CFTF. La technologie a ensuite été transférée dans le cadre d'accords d'utilisation à deux partenaires industriels - Cummins et DemeTECH - pour un usage commercial, conduisant à la fourniture de millions de masques à travers les États-Unis, ainsi que l'ajout de milliers d'emplois.

Comme l'une des premières études sur le polypropylène, également connu sous le nom de PP, en ce qui concerne le COVID-19, L'article de Paranthaman sert de guide pour comprendre comment un nouveau virus réagit aux matériaux à base de polymère. Le PP est depuis longtemps le matériau standard de l'industrie pour la filtration, mais comprendre quels composés commerciaux ou précurseurs du matériau sont les mieux adaptés à la production de masse nécessite généralement des essais et des erreurs fastidieux.

« Nous avons eu une situation unique avec COVID-19. Premièrement, c'est un nouveau virus dont on ne sait pas grand-chose. Seconde, c'est petit, allant de 60 à 140 nanomètres, ce qui signifie que les particules sont capables de pénétrer dans les plus petites ouvertures. Et troisièmement, nous n'avions pas le temps pour les erreurs, " expliqua Paranthaman. " Nous devions avoir un matériau capable de filtrer plus de 95 pour cent de ces particules submicroniques. Il devait être pratiquement imperméable, mais en même temps, il doit être respirant."

Le masque N95 est en PP double épaisseur, un matériau non tissé chargé électrostatiquement en permanence avec des millions de microfibres superposées pour former une feuille. L'équipe de Théodore au CFTF a utilisé le thermosoufflage, qui transforme des microfibres en un tissu en extrudant une résine polymère à travers une filière à une vitesse d'air élevée, pour produire trois échantillons de PP de qualité commerciale pour que Paranthaman puisse les évaluer.

"Nous avons utilisé plusieurs méthodes de caractérisation à l'ORNL pour mieux comprendre l'efficacité du filtre du PP et avons fait appel aux forces d'installations utilisatrices comme le Center for Nanophase Materials Sciences et la Spallation Neutron Source, " a déclaré Paranthaman.

Les méthodes de caractérisation comprenaient la calorimétrie différentielle à balayage pour mesurer la quantité d'énergie transférée entre les fibres soufflées à l'état fondu ; Diffraction des rayons X pour comprendre l'orientation cristalline ou la texture des fibres ; et la diffusion de neutrons pour étudier la vibration moléculaire. La microscopie électronique à balayage a permis de comprendre l'arrangement des fibres soufflées à l'état fondu et leur microstructure et de caractériser leurs diamètres.

"Il est important de comprendre combien de particules le filtre arrête, " a déclaré Paranthaman.

L'équipe a utilisé des particules d'aérosol de chlorure de sodium imitant la taille de COVID-19 pour pénétrer dans le filtre, puis mesuré les particules lorsqu'elles rencontraient le PP. Deux couches de fibre soufflée à l'état fondu ont été empilées ensemble pour des tests à un débit d'air de 50 litres par minute.

Des résultats limpides

Les recherches de Paranthaman ont révélé que, bien que les matières premières soient de composition presque identique, ils ont fonctionné très différemment lorsqu'ils ont été chargés. La différence la plus notable était dans la cristallisation, ou comment le matériau solidifie les atomes et les molécules sous une forme structurée.

"Nous avons comparé un matériau PP chargé et non chargé avec et sans additif, " a expliqué Paranthaman. " La cristallisation a eu un impact clair sur la capacité du matériau à filtrer dans chaque exemple; un plus grand nombre de cristallites forment une charge électrique plus forte, conduisant à une filtration plus efficace."

Les résultats de la recherche ont en outre déterminé que le matériau qui a des températures de début de cristallisation plus élevées, cristallisation plus lente et un plus grand nombre de plus petits, cristallites microscopiques est plus efficace à la filtration. L'étude de Paranthaman sur les échantillons de PP a montré quel matériau était susceptible d'atteindre l'objectif de filtration en termes de poids de tissu, Efficacité, la résistance, la taille du diamètre des fibres et le pourcentage de charge électrostatique.

Fin avril, le CFTF produisait du matériel qui filtrait 99% du virus. D'ici mai, la technologie a été transférée à l'industrie.

L'équipe de recherche a remporté le prix du directeur de l'ORNL pour le soutien à la mission pour le développement rapide du média filtrant N95 et le transfert de technologie. Mais, Paranthaman a dit, les travaux scientifiques sur les médias filtrants N95 ne font que commencer.

"Cet article a fourni un aperçu tridimensionnel des matériaux afin que nous puissions voir tous les changements dans la fibre chargée par rapport à la fibre non chargée, " a déclaré Paranthaman. "Nous savions que la charge réduisait le diamètre de la fibre, par exemple, mais ça change aussi la porosité, et c'est essentiel à la performance du matériau. Notre document de suivi décrira clairement les différences entre chargé et non chargé et donnera encore plus d'informations sur les médias filtrants N95."

Le titre du Matériaux polymères appliqués ACS l'article est "Polymères, Additifs, et les effets de traitement sur les performances du filtre N95."