Nanoskaalan fletching avaa PFAS-vapaan tarttumattoman pinnoitteen

Teflonin merkitys ja ongelmat

Teflon, joka tunnetaan myös nimellä polytetrafluoroetyleeni tai PTFE, keksittiin 1930-luvun lopulla, ja siitä on tullut kuuluisa kyvystään hylkiä vettä, öljyä ja rasvaa.

Sitä ei käytetä ainoastaan tarttumattomissa pannuissa, mikä on sen tunnetumpi sovellus, vaan se on tärkeä myös putkien ja säiliöiden vuorauksessa, kitkan vähentämisessä koneissa, lääkinnällisissä laitteissa (katetrit, kirurgia) ja ilmailuteollisuudessa.

Teflonin kemikaaliryhmä, per- ja polyfluorialkyyliyhdisteet (PFAS), on kuitenkin yhä kiistanalaisempi.

Tämä johtuu siitä, että ne ovat osa niin kutsuttuja "ikuisia kemikaaleja". Nämä kemikaalit, mukaan lukien PFAS-yhdisteet, vastustavat normaaleja prosesseja, jotka hajottaisivat muita orgaanisia molekyylejä ajan myötä.

Tämän seurauksena PFAS-yhdisteiden tiedetään kerääntyvän biologisiin kudoksiin, ja niiden pitoisuudet voivat kasvaa niiden edetessä ravintoketjussa ylöspäin.

Lähde: King County

Joten tarvitaan vaihtoehto PFAS-yhdisteiden käytölle, tai ainakin vähemmän ja vähemmän haitallisia. Juuri tämän ovat havainneet Toronton yliopiston tutkijat.

He julkaisivat löytönsä Nature Communicationsissa¹, otsikon alla "Nestemäisen polydimetyylisiloksaanin nanomittakaavan yhdistäminen yksittäisillä perfluorihiilivedyillä mahdollistaa kestävän öljynhylkivyyden".

PFAS-myrkytys Ympäristö

Ainutlaatuinen kemikaaliluokka

Perfluori-fluori-yhdisteet (PFAS) ovat tuhansien synteettisten kemikaalien luokka, jotka sisältävät hiili-fluori-sidoksia. Tämä on erittäin suuri kemikaaliryhmä, jota on kehitetty yli 15,000 XNUMX formulaatiota viime vuosikymmeninä.

Lähde: Ansys

PTFE/teflon, PFAS-kemikaali, on korroosio- ja lämmönkestävä, ja sen pintakitka on erittäin alhainen. Tämä viimeinen ominaisuus (PTFE:llä on yksi kiinteiden aineiden alhaisimmista kitkakertoimista) on suurin syy sen käyttöön, ja korroosio- ja lämmönkestävyyttä käytetään enimmäkseen pinnoitteena ilmailu- ja kemianteollisuuden sovelluksissa.

Hiili-fluori-sidosten inerttiys on vastuussa PFAS:n tarttumattomuudesta. Mutta sama inerttiys tekee siitä erittäin pysyvän epäpuhtauden.

Koska PFAS-yhdisteet jäävät ympäristöön, ne huuhtoutuvat makeaan veteen teollisuuskäytöstä ja jätteiden täytöistä ja päätyvät saastuttamaan jokia, valtameriä ja maatalousmaata. PFAS-yhdisteiden kesto ympäristössä on vielä tänäkin päivänä tuntematon, mutta todennäköisesti ainakin vuosisatoja.

Lähde: AE2S

Kansanterveysongelma

PFAS-yhdisteet voivat biokertyä, mikä tarkoittaa, että elimistöön imeytyy enemmän kemikaaleja kuin elimistö pystyy erittämään. Tämä ilmiö voi kasaantua ravintoketjuun, ja tyypillisesti petoeläimet, kuten merikalat, tuottavat suuria pitoisuuksia tällaisia kemikaaleja.

PFAS-yhdisteitä löytyy nykyään 97 prosentista amerikkalaisista verestä. Teoriassa PFOS:n ja PFOA:n pitoisuudet ihmisten veressä ovat laskeneet sen jälkeen, kun nämä kemikaalit poistettiin kuluttajatuotteista 2000-luvun alussa. Uusia PFAS-kemikaaleja on kuitenkin kehitetty, ja niille altistumista on vaikea arvioida..

PFAS-yhdisteet ovat myrkyllisiä suurina pitoisuuksina, ja tunnettujen vaikutusten joukossa:

• Maksan vaurioituminen.
• PFAS-altistus vähentää luuntiheyttä nuorilla.
• Tyttöjen murrosiän alkamisen viivästyminen, mikä voi johtaa rintasyövän, munuaissairauksien ja kilpirauhassairauksien lisääntyneeseen esiintyvyyteen.
• Se voi aiheuttaa synnynnäisiä epämuodostumia.

Runsaskuituiset ja folaattipitoiset ruokavaliot saattavat tarjota jonkin verran suojaa näiltä kemikaaleilta, mutta ne eivät todennäköisesti suojaa niiltä täysin.

Miksi PFAS-yhdisteitä on vaikea korvata

Riskeistä huolimatta vaihtoehtojen puute tarkoittaa, että PFAS-yhdisteitä on edelleen kaikkialla kuluttajatuotteissa: niitä käytetään edelleen laajalti paitsi keittoastioissa, myös sateenkestävissä kankaissa, elintarvikepakkauksissa ja jopa meikeissä.

”Haasteena on, että vaikka on helppo luoda aine, joka hylkii vettä, on vaikea valmistaa sellaista, joka hylkii myös öljyä ja rasvaa samassa määrin. Tutkijat olivat saavuttaneet näiden vaihtoehtoisten materiaalien suorituskyvyn ylärajan.”

Professori Kevin Golovin - Hjohtaa Durable Repellent Engineered Advanced Materials (DREAM) -laboratoriota Toronton yliopisto

Jos PFAS-yhdisteitä on mahdotonta poistaa kokonaan teollisesta yhteiskunnastamme, ainakin niistä voitaisiin tehdä vähemmän haitallisia. Tässä yhteydessä on vältettävä pisimpiä kiellettyjä PFAS-yhdisteitä (yli 8 hiiliatomia) ja melko lyhyitä (4–6 hiiliatomia).

”Kirjallisuudessa ja jopa säännöksissä olemme nähneet, että pisimmän ketjun omaavat PFAS-yhdisteet kielletään ensin, kun taas lyhyempiä pidetään paljon vähemmän haitallisina.”

Hybridimateriaalimme tarjoaa saman suorituskyvyn kuin pitkäketjuiset PFAS-yhdisteet, mutta huomattavasti pienemmällä riskillä.

Professori Kevin Golovin - Hjohtaa Durable Repellent Engineered Advanced Materials (DREAM) -laboratoriota Toronton yliopisto

PFAS-yhdisteitä koskevien määräysten tiukentuessa kemianteollisuudelle tarvitaan kiireellisesti vaihtoehtoja.

Polydimetyylisiloksaani (PDMS)

Toronton yliopiston tutkijat työskentelevät PDMS:n kanssa, joka on materiaali, jota kaupallistetaan yleensä "silikonin" luokassa.

Saadakseen tämän materiaalin tarttumattomuuden samanlaiseksi kuin teflonilla, tutkijat käyttivät perfluori-alkylaattihappoja (PFAS), joissa oli vain yksi hiiliatomi sivuketjussaan (yksi hiili, jossa on kolme fluoria). Nämä eivät ole ainoastaan vähemmän myrkyllisiä, vaan ne tuottavat hajotessaan trifluorietikkahappoa (TFA), joka, vaikka sen biokertyvyys ihmiskudoksiin on paljon epätodennäköisempää, on silti ympäristössä pysyvä ja voi aiheuttaa riskejä vesieliöille suurina pitoisuuksina.

He käyttivät PDMS-sivellintä, joka sisältää useita epäsäännöllisiä piikiekkoja. Sitten he käyttivät fletching-nimistä tekniikkaa, jossa PFAS lisättiin piirakenteisiin nanoskaalassa.

Lähde: Luonto Viestintä

”Jos sen voisi kutistaa nanometrikokoon, se näyttäisi vähän samalta kuin nuolen takapään höyhenet, joissa se loveutuu jouseen. Tätä kutsutaan fletchingiksi, joten kyseessä on nanomittakaavan fletching.”

Pystyimme sitomaan noin seitsemän lyhintä mahdollista PFAS-molekyyliä jokaisen PDMS-harjaksen päähän.

Professori Kevin Golovin - Hjohtaa Durable Repellent Engineered Advanced Materials (DREAM) -laboratoriota Toronton yliopisto

Tarttumattomien ominaisuuksien testaus

Uuden pii-PFAS-höylätyn materiaalin ominaisuuksien testaamiseksi tutkijat suunnittelivat öljysuihkutustestin, jossa pintoihin suihkutettiin jatkuvasti öljyä/hiilivetyjä (dekaani, oktaani tai heptaani).

Lähde: Luonto Viestintä

American Association of Textile Chemists and Coloristsin kehittämällä asteikolla uusi pinnoite saavutti arvosanan 6, mikä asetti sen samalle tasolle monien standardien PFAS-pohjaisten pinnoitteiden kanssa.

Lähde: Luonto Viestintä

Sovellusten testaus

Uusi materiaali on levitettävä muille pinnoille, kuten putkille, kirurgisille materiaaleille tai keittoastioiden pohjalle, jotta siitä tulisi käyttökelpoinen. Joten tätäkin testattiin.

Tutkijat sovelsivat uutta keksittyä materiaalia nailoniin, alumiiniin ja polyesteriin ja osoittivat, että se voi tehokkaasti irrottaa eri pintajännityksillä ja viskositeeteilla varustettuja pisaroita.

Lähde: Luonto Viestintä

Tämä oli tärkeä testi, sillä monet tarttumattomuutta vaativat pinnat ovat karkeita tai huokoisia, ja erittäin lyhyellä PFAS-päällysteellä varustettujen PDMS-siveltimien piti toimia tämän tyyppisen materiaalin kanssa.

Yhteenveto

Tieteellisen tiimin johtaja sanoo tiimin olevan avoin yhteistyölle tarttumattomien pinnoitteiden valmistajien kanssa, jotka saattavat haluta laajentaa ja kaupallistaa prosessia.

He aikovat myös jatkaa työskentelyä konseptinsa parantamiseksi entisestään.

”Tämän alan pyhä Graali olisi aine, joka on teflonia tehokkaampi, mutta jossa ei ole lainkaan perfluori-fluori-alkyylisulfaattia (PFAS). Emme ole vielä aivan siellä, mutta tämä on tärkeä askel oikeaan suuntaan.”

Professori Kevin Golovin - Hjohtaa Durable Repellent Engineered Advanced Materials (DREAM) -laboratoriota Toronton yliopisto

Investoinnit kemikaalituottajiin

Chemours

Chemours on yhdysvaltalaisen kemianteollisuuden jättiläisen DuPont-yhtiö. Se on titaanioksidin tuotannon asiantuntija sekä teflonin valmistaja. Se tuottaa myös jäähdytyskaasuja.

Titaani on ylivoimaisesti pääosa liiketoiminnasta, ja sillä on yli puolet yhtiön liikevaihdosta.

Lähde: Chemours

Chemours myy enimmäkseen Pohjois-Amerikkaan (45 %), jota seuraavat Aasian ja Tyynenmeren alue (24 %) sekä EMEA-alue (20 %).

Kylmäaineosasto sisältää vanhemman Freonin ja uudemman Opteonin, jonka kasvihuonekaasupäästöt ovat huomattavasti pienemmät.

Edistyksellinen materiaalisegmentti sisältää tarttumista estävän teflonin, joustavan materiaalin Vitonin, korkean suorituskyvyn voiteluaineet Krytox ja kalvo Nafion.

Lähde: Chemours

Nafionia voidaan käyttää veden puhdistukseen ja suolanpoistoon sekä vedyn tuotantoon ja hyödyntämiseen polttokennoissa.

Teflonin käyttökohteet ulottuvat paljon tarttumattomien pannujen ulkopuolelle, ja niitä käytetään muun muassa tuuliturbiinien lapojen tuotannossa, sideaineena sähköautojen akuissa, tiivisteenä hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi tai sideaineena vedyn tuotantoon tarkoitetuissa elektrodeissa.

PFAS-yhdisteisiin liittyvistä kiistoista huolimatta teflonin käyttö puolijohteissa on äskettäin hyväksytty. Tämä tekee Chemoursista ainoan Yhdysvalloissa toimivan PFA-hartsien valmistajan, mikä on ratkaisevan tärkeää CHIPS- ja tiedelain mukaisen turvallisen toimitusketjun kannalta.

Kaiken kaikkiaan Chemours on pitkälle erikoistunut kemianteollisuusyritys, jolla on vahva johtajuus segmentissään, joka on peritty entiseltä emoyhtiöltään DuPontilta.

Titaanin lisäksi sillä on myös arvokasta erikoiskemiallista IP:tä. Chemours hyötyy todennäköisesti hiilidioksidipäästöjen vähenemissuuntauksista sekä maalien ja väriaineiden maailman kasvavasta kysynnästä kylmäainepäästöistä vedyn tuotantoon ja käyttöön.

Sen brändivoima ja kaupalliset suhteet tekisivät siitä myös ihanteellisen kumppanin Toronton yliopiston tutkijoille vaihtoehtojen kehittämiseksi teflonille, joka on tällä hetkellä vain tavaramerkki, mutta jota ei ole suojattu patenteilla ja immateriaalioikeuksilla.

Viimeisimmät Chemours (CC) -osakeuutiset ja -kehitys

Viitattu tutkimus

^{1. Au, S., Gauthier, JR, Kumral, B. et ai. Nestemäisen polydimetyylisiloksaanin nanomittakaavan yhdistäminen yksittäisillä perfluorihiilivedyillä mahdollistaa kestävän öljynhylkivyyden. NatURE Kommunikaatioita. 16, 6789 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62119-9}