MIT-Ingenieure haben sich selbst entwickelt

Von Jennifer Chu, Massachusetts Institute of Technology, 17. März 2021

MIT-Ingenieure haben selbstkühlende Stoffe aus Polyethylen entwickelt, die üblicherweise in Plastiktüten verwendet werden. Sie schätzen, dass der neue Stoff möglicherweise nachhaltiger ist als Baumwolle und andere gängige Textilien. Bildnachweis: Bild mit freundlicher Genehmigung von Svetlana Boriskina

Ingenieure haben selbstkühlende Stoffe aus Polyethylen entwickelt, einem Material, das häufig für Plastiktüten verwendet wird.

Bei der Betrachtung von Materialien, die zu den Stoffen der Zukunft werden könnten, haben Wissenschaftler eine allgemein verfügbare Option weitgehend verworfen: Polyethylen.

Polyethylen, der Stoff, aus dem Plastikfolien und Einkaufstüten bestehen, ist dünn und leicht und könnte Sie kühler halten als die meisten Textilien, da es Wärme durchlässt, anstatt sie einzuschließen. Polyethylen würde aber auch Wasser und Schweiß einschließen, da es nicht abtransportiert werden kann und Feuchtigkeit verdunsten. Diese Anti-Dochtwirkungseigenschaft war ein großes Hindernis für die Einführung von Polyethylen als tragbares Textil.

Now, MITMIT is an acronym for the Massachusetts Institute of Technology. It is a prestigious private research university in Cambridge, Massachusetts that was founded in 1861. It is organized into five Schools: architecture and planning; engineering; humanities, arts, and social sciences; management; and science. MIT's impact includes many scientific breakthroughs and technological advances. Their stated goal is to make a better world through education, research, and innovation." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> MIT-Ingenieure haben Polyethylen zu Fasern und Garnen gesponnen, die Feuchtigkeit ableiten sollen. Sie verwoben die Garne zu seidigen, leichten Stoffen, die Wasser schneller absorbieren und verdunsten als herkömmliche Textilien wie Baumwolle, Nylon und Polyester.

Sie haben außerdem den ökologischen Fußabdruck berechnet, den Polyethylen haben würde, wenn es als Textil hergestellt und verwendet würde. Entgegen den meisten Annahmen gehen sie davon aus, dass Polyethylengewebe über ihren Lebenszyklus möglicherweise geringere Auswirkungen auf die Umwelt haben als Baumwoll- und Nylontextilien.

Die Forscher hoffen, dass Stoffe aus Polyethylen einen Anreiz bieten könnten, Plastiktüten und andere Polyethylenprodukte zu tragbaren Textilien zu recyceln und so zur Nachhaltigkeit des Materials beizutragen.

„Sobald jemand eine Plastiktüte ins Meer wirft, ist das ein Problem. Aber diese Tüten könnten leicht recycelt werden, und wenn man Polyethylen zu einem Sneaker oder einem Kapuzenpullover verarbeiten kann, wäre es wirtschaftlich sinnvoll, diese Tüten einzusammeln und zu recyceln.“ ", sagt Svetlana Boriskina, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Department of Mechanical Engineering des MIT.

Boriskina and her colleagues have published their findings on March 15, 2021, in Nature SustainabilityNature Sustainability is a scientific journal that focuses on research related to sustainable development, which aims to meet the needs of the present without compromising the ability of future generations to meet their own needs. The journal publishes original research articles, reviews, and perspectives across a wide range of topics, including sustainable use of natural resources, reducing environmental impacts, and addressing global challenges such as climate change, biodiversity loss, and pollution." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Nachhaltigkeit in der Natur.

A molecule of polyethylene has a backbone of carbon atoms, each with a hydrogen atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Atom befestigt. Die einfache, vielfach wiederholte Struktur bildet eine teflonähnliche Architektur, die dem Anhaften an Wasser und anderen Molekülen widersteht.

„Alle, mit denen wir gesprochen haben, sagten, dass Polyethylen zwar kühl hält, aber kein Wasser und Schweiß aufnimmt, weil es Wasser abweist, und deshalb als Textil nicht funktionieren würde“, sagt Boriskina.

Dennoch versuchten sie und ihre Kollegen, aus Polyethylen webbare Fasern herzustellen. Sie begannen mit Polyethylen in Rohpulverform und verwendeten Standardgeräte zur Textilherstellung, um Polyethylen zu schmelzen und zu dünnen Fasern zu extrudieren, ähnlich wie bei der Herstellung von Spaghettisträngen. Überraschenderweise stellten sie fest, dass dieser Extrusionsprozess das Material leicht oxidierte und die Oberflächenenergie der Faser veränderte, sodass Polyethylen schwach hydrophil wurde und Wassermoleküle an seine Oberfläche anziehen konnte.

Das Team nutzte einen zweiten Standardextruder, um mehrere Polyethylenfasern zu einem webbaren Garn zu bündeln. Sie fanden heraus, dass innerhalb eines Garnstrangs die Räume zwischen den Fasern Kapillaren bilden, durch die Wassermoleküle passiv absorbiert werden können, sobald sie von der Oberfläche einer Faser angezogen werden.

Um diese neue Dochtwirkungsfähigkeit zu optimieren, modellierten die Forscher die Eigenschaften der Fasern und fanden heraus, dass Fasern mit einem bestimmten Durchmesser, die im gesamten Garn in bestimmte Richtungen ausgerichtet waren, die Dochtwirkungsfähigkeit der Fasern verbesserten.

Basierend auf ihrer Modellierung stellten die Forscher Polyethylengarn mit optimierten Faseranordnungen und -abmessungen her und verwebten das Garn dann mit einem industriellen Webstuhl zu Stoffen. Anschließend testeten sie die Dochtwirkungsfähigkeit von Polyethylengewebe gegenüber Baumwolle, Nylon und Polyester, indem sie Stoffstreifen in Wasser tauchten und die Zeit maßen, die die Flüssigkeit brauchte, um an jedem Streifen aufzusaugen bzw. aufzusteigen. Außerdem legten sie jeden Stoff auf eine Waage über einem einzelnen Wassertropfen und maßen dessen Gewicht über die Zeit, während das Wasser durch den Stoff sickerte und verdunstete.

In jedem Test leiteten Polyethylenstoffe das Wasser schneller ab und verdunsteten es als andere gängige Textilien. Die Forscher stellten zwar fest, dass Polyethylen bei wiederholter Benetzung einen Teil seiner wasseranziehenden Fähigkeit verlor, aber durch einfache Reibung oder Einwirkung von ultraviolettem Licht bewirkten sie, dass das Material wieder hydrophil wurde.

„Sie können das Material auffrischen, indem Sie es an sich selbst reiben, und so behält es seine feuchtigkeitsableitende Wirkung“, sagt Boriskina. „Es kann Feuchtigkeit kontinuierlich und passiv abpumpen.“

Das Team fand auch einen Weg, Farbe in die Polyethylengewebe einzubauen, was eine Herausforderung darstellte, wiederum aufgrund der Widerstandsfähigkeit des Materials gegenüber der Bindung mit anderen Molekülen, einschließlich herkömmlicher Tinten und Farbstoffe. Die Forscher fügten dem pulverisierten Polyethylen farbige Partikel hinzu, bevor sie das Material in Faserform extrudierten. Auf diese Weise wurden Partikel in die Fasern eingekapselt und ihnen erfolgreich Farbe verliehen.

„Wir müssen nicht den traditionellen Prozess des Färbens von Textilien durchlaufen, indem wir sie in Lösungen aggressiver Chemikalien eintauchen“, sagt Boriskina. „Wir können Polyethylenfasern völlig trocken färben und am Ende ihres Lebenszyklus die Partikel einschmelzen, zentrifugieren und zur erneuten Verwendung zurückgewinnen.“

Das Trockenfärbeverfahren des Teams trage zu dem relativ kleinen ökologischen Fußabdruck bei, den Polyethylen hätte, wenn es zur Herstellung von Textilien verwendet würde, sagen die Forscher. Das Team berechnete diesen Fußabdruck mithilfe eines Ökobilanz-Tools, das üblicherweise in der Textilindustrie verwendet wird. Unter Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften von Polyethylen und der Prozesse, die zur Herstellung und Färbung der Stoffe erforderlich sind, stellten die Forscher fest, dass die Herstellung von Textilien aus Polyethylen im Vergleich zu Polyester und Baumwolle weniger Energie erfordern würde.

„Polyethylen hat eine niedrigere Schmelztemperatur, sodass man es nicht so stark erhitzen muss wie andere synthetische Polymermaterialien, um beispielsweise Garn herzustellen“, erklärt Boriskina. „Die Synthese von Rohpolyethylen setzt außerdem weniger Treibhausgase und Abwärme frei als die Synthese konventionellerer Textilmaterialien wie Polyester oder Nylon. Baumwolle benötigt außerdem viel Land, Dünger und Wasser für den Anbau und wird mit aggressiven Chemikalien behandelt, was alles.“ hat einen riesigen ökologischen Fußabdruck.“

Sie sagt, dass Polyethylengewebe in seiner Nutzungsphase auch eine geringere Umweltbelastung haben könnte, da im Vergleich zu Baumwolle und anderen Textilien weniger Energie zum Waschen und Trocknen des Materials benötigt würde.

„Es wird nicht schmutzig, weil nichts daran haften bleibt“, sagt Boriskina. „Man könnte Polyethylen zehn Minuten lang im Kaltwaschgang waschen, statt Baumwolle eine Stunde lang im Heißwaschgang zu waschen.“

„Obwohl es sich um einen überraschenden Befund handelt, halte ich das Design der Experimente und die Daten für recht überzeugend“, sagt Shirley Meng, Materialwissenschaftlerin an der University of California in San Diego, die nicht an der Forschung beteiligt war. „Basierend auf den in dem Papier dargelegten Daten weist der hier beschriebene spezielle PE-Stoff bessere Eigenschaften als Baumwolle auf. Der Hauptpunkt ist, dass recyceltes PE zur Herstellung von Textilien verwendet werden kann, einem Produkt mit erheblichem Wert. Dies ist das fehlende Stück davon.“ PE-Recycling und Kreislaufwirtschaft.“

Das Team erforscht Möglichkeiten, Polyethylengewebe in leichte, passiv kühlende Sportbekleidung, Militärkleidung und sogar Raumanzüge der nächsten Generation zu integrieren, um Polyethylen vor der schädlichen Röntgenstrahlung im Weltraum zu schützen.

Referenz: „Nachhaltige Polyethylengewebe mit technischem Feuchtigkeitstransport für passive Kühlung“ von Matteo Alberghini, Seongdon Hong, L. Marcelo Lozano, Volodymyr Korolovych, Yi Huang, Francesco Signorato, S. Hadi Zandavi, Corey Fucetola, Ihsan Uluturk, Michael Y. Tolstorukov , Gang Chen, Pietro Asinari, Richard M. Osgood III, Matteo Fasano und Svetlana V. Boriskina, 15. März 2021, Nature Sustainability.DOI: 10.1038/s41893-021-00688-5

Zum internationalen Team gehörten Forscher vom MIT, der Polytechnischen Universität Turin in Italien, dem US Army Combat Capabilities Development Command Soldier Center, dem Dana Farber Cancer Institute, dem INRIM Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica in Italien, der Verteidigungsbehörde für Technologie und Qualität in Südkorea und Monterrey Institut für Technologie und Hochschulbildung in Mexiko.

Diese Forschung wurde teilweise vom US Army Research Office unterstützt

Advanced Functional Fabrics of America (AFFOA) Institute, MIT International Science and Technology Initiatives (MISTI), das MIT Deshpande Center und das MIT-Tecnológico de Monterrey Nanotechnology Program.