Полимерные ворсинки в 14 раз снизили количество микропластика при стирке нейлона

Канадские ученые вырастили на нейлоне слой ворсинок полидиметилсилоксана, который существенно снижает трение. При стирке такого материала образуется в четырнадцать раз меньше частиц микропластика, при этом на ощупь и зрительно он не отличается от необработанного нейлона. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Sustainability.

Каждый раз, когда мы стираем синтетическую футболку, от ее поверхности отрывается примерно 730 тысяч пластиковых микрочастиц и микроволокон. Часть этих волокон достаточно малы, чтобы, минуя фильтры, попасть в грунтовые воды и почву. По оценкам ученых около 35 процентов всего плавающего в океане микропластика попали туда из слива стиральных машин.

Внимание экологов в основном привлечено к синтетическим материалам, хотя с вещами хлопка и других натуральных тканей все тоже непросто. Хлопковые волокна способны разложиться в почве или воде, но из-за пигментов и других включений этот процесс идет медленно. Например, джинсовые волокна уже находили в канадских Великих озерах и желудках живущих там рыб.

Микроволокна отделяются от поверхности, когда вещи трутся о барабан и между собой. Поэтому канадские материаловеды под руководством Кевина Головин (Kevin Golovin) из Университета Торонто решили сделать покрытие для снижения трения.

Ученые работали с одной из самых популярных синтетических тканей — нейлоном. Покрытие наносили в две стадии. Сначала на поверхность нейлона нанесли связующий слой: для этого подкисленный спиртовой раствор 3-меркаплопропилтриметоксисилана обработали пероксидом водорода. Под действием окислителя SH-фрагменты превратились в SO₃H-фрагменты, которые способны образовывать прочные связи с нейлоном. Нейлоновые листы погрузили в полученный раствор на один час, и высушили в течение часа при температуре 95 градусов Цельсия.

После этого на праймер нарастили слой полидиметилсилоксана (PDMS). Этот полимер используется, например, в косметике для волос, он сглаживает поверхность волоса, визуально делая волосы более гладкими и блестящими. PDMS синтезировали in situ из паров 1,3-дихлортетраметилдисилоксана в присутствии воды. При этом группы SiCl-фрагменты 1,3-дихлортетраметилдисилоксана гидролизуютсяя, превращаясь в SiOH-фрагменты и связываются с другими такими же фрагментами — сначала из связующего слоя, а затем из соседних молекул. Молекулы выстраиваются в цепь: ее «голова» прочно пришита к нейлону, а «хвост» растет перпендикулярно поверхности. После оптимизации условий авторы сумели получить слой PDMS -ворсинок длиной около 10 нанометров.

При взаимодействии поверхности с другими материалами ворсинки PDMS работают как слой жидкости, пришитый к ткани. Ворсинки гнутся, смягчая удар, и ткани лучше скользят друг по другу. И при сухом, и при мокром трении коэффициент трения снижался примерно вдвое, когда один из взаимодействующих объектов покрывали слоем ворсинок и более чем в четыре раза — когда покрывали оба.

Такое заметное снижение трения ожидаемо повлияло и на образование микропластика. Из необработанного нейлона за девять стирок вымывалось 3975 ± 327 частиц на один грамм материала. А из нейлона с ворсинками — почти в четырнадцать раз меньше (289 ± 75). Разница сохранялась и при стирке материала при температуре 60 градусов Цельсия в течение 24 часов. Ученые испытали также нейлон только со связующим слоем и только со слоем PDMS, но в этих случаях значимых улучшений не было.

Интересно, что средний размер волокон был в пределах погрешности одинаковым — около 0,5 миллиметра. Из этого авторы заключили, что механизм отделения микроволокон остался тем же, снизилась только его интенсивность.

На ощупь и визуально нейлон с покрытием не отличался от необработанного. Сейчас авторы работают над снижением гидрофобности материала — так он будет лучше впитывать пот, и станет более комфортным для движения и занятий спортом. Также они планируют оптимизировать механизм нанесения праймера, чтобы он подходил не только для нейлона.

В конце прошлого года китайские экологи выяснили, что частицы микропластика в сочетании с солнцезащитными компонентами косметики могут усиливать токсическое действие хрома.

А проверить свои знания о микропластике можно, пройдя наш тест.