MIT エンジニアは自己を開発しました

マサチューセッツ工科大学ジェニファー・チュー著 2021 年 3 月 17 日

MITのエンジニアは、ビニール袋に一般的に使用されているポリエチレンを原料とした自己冷却布地を開発した。 彼らは、新しい生地は綿や他の一般的な繊維よりも持続可能である可能性があると推定しています。 クレジット: 画像提供：Svetlana Boriskina

エンジニアは、ビニール袋に一般的に使用されている素材であるポリエチレンから自己冷却生地を開発しました。

将来の布地となる可能性のある素材を検討する際、科学者たちは広く利用可能な選択肢の 1 つであるポリエチレンをほとんど無視しました。

ラップや買い物袋の素材であるポリエチレンは薄くて軽量で、熱を閉じ込めるのではなく透過させるため、ほとんどの繊維よりも涼しく保つことができます。しかし、ポリエチレンは水分や汗を逃がすことができないため、閉じ込めてしまいます。そして水分を蒸発させます。 この抗ウィッキング特性は、ウェアラブル繊維としてのポリエチレンの採用を妨げる大きな要因となっていました。

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 のエンジニアは、湿気を逃がすように設計された繊維や糸にポリエチレンを紡績しました。 彼らはその糸を絹のように軽量な生地に織り上げ、綿、ナイロン、ポリエステルなどの一般的な繊維よりも素早く水を吸収して蒸発させます。

彼らはまた、ポリエチレンが繊維として生産され使用された場合に生じるであろう環境フットプリントも計算した。 大方の想定に反して、彼らはポリエチレン織物が綿やナイロン織物よりもライフサイクル全体で環境に与える影響が小さい可能性があると推定しています。

研究者らは、ポリエチレンから作られた生地が、ビニール袋やその他のポリエチレン製品をウェアラブル生地にリサイクルする動機となり、素材の持続可能性が高まることを期待している。

「誰かがビニール袋を海に捨てたら、それは問題です。しかし、それらの袋は簡単にリサイクルできます。そして、ポリエチレンをスニーカーやパーカーに作ることができれば、これらの袋を拾ってリサイクルすることは経済的に合理的です。 」とマサチューセッツ工科大学機械工学部の研究員スベトラーナ・ボリスキナ氏は言います。

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"}]">自然の持続可能性。

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"}]">原子が付いています。 シンプルな構造を何度も繰り返すことで、水や他の分子の付着を防ぐテフロンのような構造が形成されます。

「私たちが話をした人は皆、ポリエチレンは涼しさを保ってくれるかもしれないが、水をはじくので水や汗を吸収せず、そのため繊維としては機能しないと言いました」とボリスキーナさんは言う。

それにもかかわらず、彼女と同僚はポリエチレンから織れる繊維を作ろうとしました。 彼らは原料の粉末状のポリエチレンから始め、標準的な繊維製造装置を使用して、スパゲッティのストランドを作るのと同じようにポリエチレンを細い繊維に溶かして押し出しました。 驚くべきことに、この押出プロセスにより材料がわずかに酸化され、繊維の表面エネルギーが変化してポリエチレンが弱親水性になり、水分子を表面に引きつけることができることが判明した。

研究チームは、2 番目の標準的な押出機を使用して、複数のポリエチレン繊維を束ねて織可能な糸を作成しました。 彼らは、糸のストランド内で繊維間の空間が毛細管を形成し、水分子が繊維の表面に引き付けられると、毛細管を通じて受動的に吸収されることを発見しました。

この新しい吸湿能力を最適化するために、研究者らは繊維の特性をモデル化し、糸全体で特定の方向に整列した特定の直径の繊維が繊維の吸湿能力を向上させることを発見しました。

研究者らは、モデリングに基づいて、繊維の配置と寸法がより最適化されたポリエチレン糸を作成し、工業用織機を使用してその糸を織物に織りました。 次に、生地のストリップを水に浸し、液体がウィッキングする、または各ストリップをよじ登るのにかかる時間を測定することによって、綿、ナイロン、およびポリエステルに対するポリエチレン生地のウィッキング能力をテストしました。 また、各生地を 1 つの水滴の上の秤に置き、水が生地を通って浸透して蒸発するまでの重量を経時的に測定しました。

すべてのテストにおいて、ポリエチレン繊維は他の一般的な繊維よりも速く水分を吸い取り、蒸発させました。 研究者らは、ポリエチレンは繰り返し湿らせると水を引き寄せる能力の一部を失うが、単に摩擦を加えたり、紫外線にさらしたりするだけで、材料が再び親水性に戻ることを観察した。

「素材自体をこすり合わせることで素材をリフレッシュでき、そうすることで素材の吸湿能力が維持されます」とボリスキナ氏は言う。 「継続的かつ受動的に湿気を排出することができます。」

研究チームはまた、ポリエチレン生地に色を組み込む方法も発見しました。これもまた、素材が従来のインクや染料など他の分子と結合しにくいため、これも困難でした。 研究者らは、材料を繊維の形に押し出す前に、粉末状のポリエチレンに着色粒子を加えた。 このようにして粒子を繊維の中に封入し、繊維に色を与えることに成功しました。

「繊維を強力な化学物質の溶液に浸して染色するという伝統的なプロセスを経る必要はありません」とボリスキナ氏は言う。 「完全に乾燥した状態でポリエチレン繊維を着色することができ、そのライフサイクルの終わりに、溶かして遠心分離し、粒子を回収して再度使用することができます。」

研究チームによると、このドライカラープロセスは、ポリエチレンが繊維製品の製造に使用された場合に生じるであろう環境への影響を比較的小さくすることに貢献しているという。 チームは、繊維業界で一般的に使用されているライフサイクル評価ツールを使用して、このフットプリントを計算しました。 ポリエチレンの物理的特性と、生地の製造と着色に必要なプロセスを考慮すると、研究者らは、ポリエステルや綿と比較して、ポリエチレン繊維の製造に必要なエネルギーが少ないことを発見しました。

「ポリエチレンは融解温度が低いため、たとえば糸を作るときに他の合成ポリマー材料ほど加熱する必要がありません」とボリスキナ氏は説明する。 「生のポリエチレンの合成は、ポリエステルやナイロンなどの従来の繊維材料の合成よりも温室効果ガスや廃熱の放出が少なくなります。また、綿は栽培するために多くの土地、肥料、水を必要とし、過酷な化学物質で処理されます。膨大な環境負荷を伴います。」

綿や他の繊維と比べて、ポリエチレン生地は洗濯と乾燥に必要なエネルギーが少ないため、使用段階では環境への影響も小さくなる可能性があると彼女は言います。

「何もくっつかないので汚れません」とボリスキナさんは言う。 「ポリエチレンは冷水サイクルで 10 分間洗濯できますが、綿は熱サイクルで 1 時間洗濯できます。」

「驚くべき発見ではありますが、実験計画とデータは非常に説得力があると思います」と、この研究には関与していないカリフォルニア大学サンディエゴ校の材料科学者シャーリー・メンは言う。 「論文に示されているデータに基づくと、ここで報告されている特定の PE 布地は綿よりも優れた特性を示しています。重要な点は、リサイクル PE を織物という重要な価値のある製品の製造に使用できるということです。これは、重要な価値のある製品の欠落部分です」 PEのリサイクルと循環経済。」

研究チームは、宇宙の有害なX線放射に対するポリエチレンのシールドとして、軽量で受動的に冷却する運動用アパレル、軍服、さらには次世代の宇宙服にポリエチレン生地を組み込む方法を模索している。

参考文献: 「受動的冷却のための人工水分輸送を備えた持続可能なポリエチレン生地」Matteo Alberghini、Seongdon Hon、L. Marcelo Lozano、Volodymyr Korolovych、Yi Huang、Francesco Signorato、S. Hadi Zandavi、Corey Fucetola、Ihsan Uluturk、Michael Y. Tolstorukov 著、Gang Chen、Pietro Asinari、Richard M. Osgood III、Matteo Fasano、Svetlana V. Boriskina、2021 年 3 月 15 日、Nature Sustainability.DOI: 10.1038/s41893-021-00688-5

国際チームには、MIT、イタリアのトリノ工科大学、米陸軍戦闘能力開発司令部兵士センター、ダナ・ファーバー癌研究所、イタリアのINRIM国立リチェルカメトロロジカ研究所、韓国の技術品質防衛庁、モンテレーの研究者が含まれていた。メキシコの工科大学および高等教育機関。

この研究は、米国陸軍研究局によって部分的に支援されました。

Advanced Functional Fabrics of America (AFFOA) Institute、MIT International Science and Technology Initiatives (MISTI)、MIT Deshpande Center、および MIT-Tecnológico de Monterey ナノテクノロジー プログラム。