Bij het overwegen van materialen die de stoffen van de toekomst zouden kunnen worden, wetenschappers hebben een algemeen beschikbare optie grotendeels verworpen:polyethyleen.

Het spul van plasticfolie en boodschappentassen, polyethyleen is dun en lichtgewicht, en zou je koeler kunnen houden dan de meeste textiel omdat het warmte doorlaat in plaats van het vast te houden. Maar polyethyleen zou ook water en zweet vasthouden, omdat het niet in staat is om vocht weg te trekken en te verdampen. Deze antiwicking-eigenschap is een belangrijk afschrikmiddel geweest voor de acceptatie van polyethyleen als draagbaar textiel.

Nutsvoorzieningen, MIT-ingenieurs hebben polyethyleen gesponnen tot vezels en garens die zijn ontworpen om vocht af te voeren. Ze weefden de garens tot zijdeachtig, lichtgewicht stoffen die water sneller absorberen en verdampen dan gewone textiel zoals katoen, nylon, en polyester.

Ze hebben ook de ecologische voetafdruk berekend die polyethyleen zou hebben als het zou worden geproduceerd en gebruikt als textiel. Tegen de meeste aannames in, ze schatten dat polyethyleen stoffen een kleinere milieu-impact kunnen hebben gedurende hun levenscyclus dan katoen en nylon textiel.

De onderzoekers hopen dat stoffen gemaakt van polyethyleen een stimulans kunnen zijn om plastic zakken en andere polyethyleenproducten te recyclen tot draagbaar textiel. draagt ​​bij aan de duurzaamheid van het materiaal.

"Als iemand een plastic zak in de oceaan gooit, dat is een probleem. Maar die tassen kunnen gemakkelijk worden gerecycled, en als je van polyethyleen een sneaker of hoodie kunt maken, het zou economisch zinvol zijn om deze tassen op te halen en te recyclen, " zegt Svetlana Boriskina, een onderzoeker bij de afdeling Werktuigbouwkunde van het MIT.

Boriskina en haar collega's hebben hun bevindingen vandaag gepubliceerd in Natuur Duurzaamheid.

Water lont

Een molecuul polyethyleen heeft een ruggengraat van koolstofatomen, elk met een waterstofatoom eraan vast. De eenvoudige structuur, vele malen herhaald, vormt een teflon-achtige architectuur die weerstand biedt aan het vasthouden aan water en andere moleculen.

"Iedereen met wie we spraken zei dat polyethyleen je misschien koel houdt, maar het zou geen water en zweet absorberen omdat het water afstoot, en daarom, het zou niet werken als textiel, ' zegt Boriskina.

Hoe dan ook, zij en haar collega's probeerden weefbare vezels te maken van polyethyleen. Ze begonnen met polyethyleen in zijn ruwe poedervorm en gebruikten standaard textielproductieapparatuur om polyethyleen te smelten en te extruderen tot dunne vezels, vergelijkbaar met het uitdraaien van spaghettislierten. Verrassend genoeg, ze ontdekten dat dit extrusieproces het materiaal enigszins oxideerde, het veranderen van de oppervlakte-energie van de vezel zodat polyethyleen zwak hydrofiel werd, en in staat om watermoleculen naar het oppervlak te trekken.

Het team gebruikte een tweede standaardextruder om meerdere polyethyleenvezels samen te bundelen om een ​​weefbaar garen te maken. Ze vonden dat, binnen een streng garen, de ruimten tussen vezels vormden capillairen waardoor watermoleculen passief konden worden geabsorbeerd als ze eenmaal door het oppervlak van een vezel waren aangetrokken.

Om dit nieuwe vochtafvoerende vermogen te optimaliseren, de onderzoekers modelleerden de eigenschappen van de vezels en ontdekten dat vezels met een bepaalde diameter, uitgelijnd in specifieke richtingen door het hele garen, verbeterde het vochtafvoerend vermogen van de vezels.

Op basis van hun modellering, de onderzoekers maakten polyethyleengaren met meer geoptimaliseerde vezelopstellingen en afmetingen, vervolgens een industrieel weefgetouw gebruikt om het garen tot stoffen te weven. Vervolgens testten ze het vochtafvoerend vermogen van polyethyleenweefsel op katoen, nylon, en polyester door stroken van de stof in water te dompelen en de tijd te meten die nodig was om de vloeistof op te zuigen, of klim elke strook op. Ze plaatsten ook elke stof op een schaal boven een enkele waterdruppel en maten het gewicht ervan in de loop van de tijd terwijl het water door de stof werd afgevoerd en verdampte.

Bij elke toets polyethyleen weefsels voeren af ​​en verdampen het water sneller dan andere gangbare textielsoorten. De onderzoekers merkten wel op dat polyethyleen een deel van zijn wateraantrekkend vermogen verloor bij herhaalde bevochtiging, maar door simpelweg wat wrijving toe te passen, of blootstellen aan ultraviolet licht, ze zorgden ervoor dat het materiaal weer hydrofiel werd.

"Je kunt het materiaal opfrissen door het tegen zichzelf aan te wrijven, en op die manier behoudt het zijn vochtafdrijvend vermogen, " zegt Boriskina. "Het kan continu en passief vocht wegpompen."

Eco-cyclus

Het team vond ook een manier om kleur in de polyethyleenstoffen op te nemen, wat een uitdaging was, opnieuw vanwege de weerstand van het materiaal tegen binding met andere moleculen, inclusief traditionele inkten en kleurstoffen. De onderzoekers voegden gekleurde deeltjes toe aan het poedervormige polyethyleen voordat het materiaal in vezelvorm werd geëxtrudeerd. Op deze manier, deeltjes werden ingekapseld in de vezels, met succes kleur aan hen te geven.

"We hoeven niet door het traditionele proces van het verven van textiel te gaan door ze onder te dompelen in oplossingen van agressieve chemicaliën, " zegt Boriskina. "We kunnen polyethyleenvezels volledig droog kleuren, en aan het einde van hun levenscyclus, we zouden kunnen smelten, centrifugeren, en herstel de deeltjes om opnieuw te gebruiken."

Het droge kleurproces van het team draagt ​​bij aan de relatief kleine ecologische voetafdruk die polyethyleen zou hebben als het zou worden gebruikt om textiel te maken, zeggen de onderzoekers. Het team heeft deze voetafdruk berekend met behulp van een levenscyclusanalysetool die veel wordt gebruikt door de textielindustrie. Rekening houdend met de fysieke eigenschappen van polyethyleen en de processen die nodig zijn om de stoffen te maken en te kleuren, de onderzoekers ontdekten dat het minder energie zou kosten om polyethyleentextiel te produceren, in vergelijking met polyester en katoen.

"Polyethyleen heeft een lagere smelttemperatuur, dus je hoeft het niet zo veel op te warmen als andere synthetische polymeermaterialen om garen te maken, bijvoorbeeld, Boriskina legt uit. "Bij de synthese van ruw polyethyleen komt ook minder broeikasgas en afvalwarmte vrij dan bij de synthese van meer conventionele textielmaterialen zoals polyester of nylon. Katoen neemt ook veel land in beslag, kunstmest, en water om te groeien, en is behandeld met agressieve chemicaliën, die allemaal gepaard gaan met een enorme ecologische voetafdruk."

In de gebruiksfase, polyethyleenweefsel zou ook een kleinere milieu-impact kunnen hebben, ze zegt, omdat het minder energie kost om het materiaal te wassen en te drogen in vergelijking met katoen en ander textiel.

"Het wordt niet vies omdat er niets aan blijft plakken, " zegt Boriskina. "Je zou polyethyleen op de koude cyclus 10 minuten kunnen wassen, versus het wassen van katoen op de warme cyclus voor een uur."

Het team onderzoekt manieren om polyethyleen stoffen te verwerken in lichtgewicht, passief koelen van atletische kleding, militaire kleding, en zelfs ruimtepakken van de volgende generatie, als polyethyleen schermt af tegen de schadelijke röntgenstraling van de ruimte.