Stoffen die waterbestendig zijn, zijn essentieel voor alles, van regenkleding tot militaire tenten, maar het is aangetoond dat conventionele waterafstotende coatings in het milieu blijven bestaan ​​en zich ophopen in ons lichaam, en zullen om veiligheidsredenen waarschijnlijk worden uitgefaseerd. Dat laat een grote leemte achter die moet worden opgevuld als onderzoekers veilige vervangers kunnen vinden.

Nutsvoorzieningen, een team van MIT heeft een veelbelovende oplossing bedacht:een coating die niet alleen natuurlijke stoffen zoals katoen en zijde waterafstotend maakt, maar is ook effectiever dan de bestaande coatings. De nieuwe bevindingen worden beschreven in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen , in een paper van MIT-professoren Kripa Varanasi en Karen Gleason, voormalig MIT-postdoc Dan Soto, en twee anderen.

"De uitdaging is ingegeven door de milieuregelgevers" vanwege de geleidelijke afschaffing van de bestaande chemicaliën voor waterdichting, Varanasi legt uit. Maar het blijkt dat het alternatief van zijn team beter presteert dan de conventionele materialen.

"De meeste stoffen die 'waterafstotend' zeggen, zijn eigenlijk waterafstotend, " zegt Varanasi, die universitair hoofddocent werktuigbouwkunde is. "Als je buiten in de regen staat, uiteindelijk zal er water doorheen komen." Uiteindelijk, "het doel is om afstotend te zijn - om de druppels gewoon terug te laten stuiteren." De nieuwe coating komt dichter bij dat doel, hij zegt.

Door de manier waarop ze zich ophopen in het milieu en in lichaamsweefsel, de EPA is bezig met het herzien van de regelgeving voor de lange-keten-polymeren die al tientallen jaren de industriestandaard zijn. "Ze zijn overal, en ze degraderen niet gemakkelijk, ' zegt Varanasi.

De coatings die momenteel worden gebruikt om stoffen waterafstotend te maken, bestaan ​​over het algemeen uit lange polymeren met geperfluoreerde zijketens. Het probleem is, polymeren met een kortere keten die zijn onderzocht, hebben niet zo'n sterk waterafstotend (of hydrofoob) effect als de versies met een langere keten. Een ander probleem met bestaande coatings is dat ze vloeibaar zijn, dus de stof moet in de vloeistof worden ondergedompeld en vervolgens worden uitgedroogd. Dit heeft de neiging om alle poriën in de stof te verstoppen, Varanasi zegt, zodat de stoffen niet meer kunnen ademen zoals ze anders zouden doen. Dat vereist een tweede fabricagestap waarbij lucht door de stof wordt geblazen om die poriën te openen, toe te voegen aan de productiekosten en een deel van de waterbescherming ongedaan te maken.

Onderzoek heeft aangetoond dat polymeren met minder dan acht geperfluoreerde koolstofgroepen niet persistent zijn en bijna net zoveel bioaccumuleren als die met acht of meer - de meest gebruikte. Wat dit MIT-team deed, Varanasi legt uit, is om twee dingen te combineren:een polymeer met kortere keten dat, op zichzelf, verleent enkele hydrofobe eigenschappen en is verbeterd met wat extra chemische verwerking; en een ander coatingproces, geïnitieerde chemische dampafzetting (iCVD) genoemd, die de afgelopen jaren is ontwikkeld door co-auteur Karen Gleason en haar collega's. Gleason is de Alexander and I. Michael Kasser Professor of Chemical Engineering en associate provost aan het MIT. Krediet voor het bedenken van het beste korteketenpolymeer en het mogelijk maken om het polymeer met iCVD te deponeren, Varanasi zegt, gaat voornamelijk naar Soto, wie is de hoofdauteur van het artikel.

Met behulp van het iCVD-coatingproces, waarbij geen vloeistoffen betrokken zijn en bij lage temperatuur kan worden gedaan, produceert een zeer dunne, uniforme coating die de contouren van de vezels volgt en niet leidt tot verstopping van de poriën, waardoor de noodzaak voor de tweede verwerkingsfase om de poriën te heropenen, wordt geëlimineerd. Vervolgens, een extra stap, een soort zandstralen van het oppervlak, kan als een optioneel proces worden toegevoegd om de waterafstotendheid nog meer te verhogen. "De grootste uitdaging was het vinden van de juiste plek waar prestaties, duurzaamheid, en iCVD-compatibiliteit kunnen samenwerken en de beste prestaties leveren, ' zegt Soto.

Het proces werkt op veel verschillende soorten stoffen, Varanasi zegt, inclusief katoen, nylon, en linnen, en zelfs op niet-stoffen materialen zoals papier, het openen van een verscheidenheid aan potentiële toepassingen. Het systeem is getest op verschillende soorten stof, evenals op verschillende weefpatronen van die stoffen. "Veel stoffen kunnen profiteren van deze technologie, "zegt hij. "Er is hier veel potentieel."

De gecoate stoffen zijn onderworpen aan een spervuur ​​van tests in het laboratorium, inclusief een standaard regentest die door de industrie wordt gebruikt. De materialen zijn niet alleen gebombardeerd met water, maar ook met verschillende andere vloeistoffen, waaronder koffie, ketchup, natriumhydroxide, en verschillende zuren en basen - en ze hebben ze allemaal goed afgestoten.

De gecoate materialen zijn herhaaldelijk gewassen zonder degradatie van de coatings, en hebben ook strenge slijtagetests doorstaan, zonder schade aan de coatings na 10, 000 herhalingen. Eventueel, onder zware slijtage, "de vezel zal worden beschadigd, maar de coating niet, " hij zegt.

Het team, waaronder ook voormalig postdoc Asli Ugur en Taylor Farnham '14, SM '16, is van plan te blijven werken aan het optimaliseren van de chemische formule voor de best mogelijke waterafstotendheid, en hoopt de technologie waarvoor patent is aangevraagd in licentie te geven aan bestaande textiel- en kledingbedrijven. Het werk werd ondersteund door MIT's Deshpande Center for Technological Innovation.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.