Нанорозмірне оброблення розкриває антипригарне покриття без PFAS

Важливість та проблеми тефлону

З моменту свого винаходу наприкінці 1930-х років тефлон, також відомий як політетрафторетилен або ПТФЕ, став відомим своєю здатністю відштовхувати воду, олію та жир.

Він використовується не лише в антипригарних сковорідках, що є його більш відомим застосуванням, але також важливий для футеровки труб і резервуарів, для зменшення тертя в машинах, у медичних виробах (катетерах, хірургії) та в аерокосмічній промисловості.

Однак, сімейство хімічних речовин, до яких належить тефлон, пер- та поліфторалкильні речовини (PFAS), викликає дедалі більше суперечок.

Це пояснюється тим, що вони належать до так званих «вічних хімічних речовин». Ці хімічні речовини, включаючи перфторвуглецеві олії (PFAS), протистоять нормальним процесам, які з часом руйнують інші органічні молекули.

Як наслідок, відомо, що ПФАС накопичуються в біологічних тканинах, і їх концентрації можуть зростати під час просування по харчовому ланцюгу.

джерело: Графство Кінг

Тож потрібна альтернатива використанню перфторвуглецевих фарбувальних речовин, або принаймні їх менша кількість та менш шкідливі. Саме це виявили дослідники з Університету Торонто.

Вони опублікували своє відкриття в журналі Nature Communications.¹, під назвою «Нанорозмірне оперення рідкоподібного полідиметилсилоксану з окремими перфторвуглецями забезпечує стійку масловідштовхувальну здатність".

Отруєння PFAS для навколишнього середовища

Унікальний хімічний клас

ПФАС – це клас із тисяч синтетичних хімічних речовин, що містять вуглець-фторові зв'язки. Це дуже велика група хімічних речовин, за останні десятиліття було створено понад 15,000 XNUMX формуляцій.

джерело: Відповіді

ПТФЕ/тефлон, хімічний матеріал, що належить до групи перфторвуглецевих олій (PFAS), є стійким до корозії та високих температур, а також має дуже низьке поверхневе тертя. Ця остання властивість (ПТФЕ має один з найнижчих коефіцієнтів тертя серед усіх твердих речовин) здебільшого зумовлює його використання, причому стійкість до корозії та тепла здебільшого використовується як покриття в аерокосмічній та хімічній промисловості.

Інертність вуглець-фторових зв'язків відповідає за антипригарні властивості PFAS. Але саме ця інертність робить його надзвичайно стійким забруднювачем.

Оскільки ПФАС залишаються в навколишньому середовищі, вони потрапляють у прісну воду з промислового використання та сміттєзвалищ, що призводить до забруднення річок, океанів та сільськогосподарських ґрунтів. Тривалість перебування ПФАС у навколишньому середовищі досі невідома, але, ймовірно, вона становить щонайменше століть.

джерело: AE2S

Проблема громадського здоров'я

ПФАС можуть біоакумулюватися, що означає накопичення більшої кількості хімічних речовин, що поглинаються організмом, ніж вони можуть вивести. Це явище може поширитися по всьому харчовому ланцюжку, причому типові хижі тварини, такі як морські риби, демонструють високу концентрацію цих типів хімічних речовин.

ПФАС сьогодні містяться в крові 97% американців. Теоретично, рівень ПФОС та ПФОК у крові людей знизився з моменту вилучення цих хімічних речовин зі споживчих товарів на початку 2000-х років. Однак, були створені нові хімічні речовини PFAS, і вплив на них важко оцінити..

ПФАС є токсичними у високих концентраціях, причому серед відомих ефектів:

• Ураження печінки.
• Вплив PFAS знижує щільність кісток у підлітків.
• Затримка початку статевого дозрівання у дівчаток, що може призвести до вищої захворюваності на рак молочної залози, захворювання нирок та захворювання щитовидної залози.
• Це може спричинити вроджені вади.

Дієти з високим вмістом клітковини та фолієвої кислоти можуть забезпечити певний захист від цих хімічних речовин, але навряд чи зможуть повністю захистити від них.

Чому PFAS важко замінити

Незважаючи на ризики, відсутність альтернатив означає, що перфторвуглецеві кислоти (PFAS) залишаються повсюдно поширеними у споживчих товарах: вони все ще широко використовуються не лише у кухонному посуді, але й у дощозахисних тканинах, упаковці харчових продуктів і навіть у косметиці.

«Проблема полягає в тому, що хоча легко створити речовину, яка відштовхуватиме воду, важко створити таку, яка також відштовхуватиме олію та жир у такій самій мірі. Вчені досягли верхньої межі ефективності цих альтернативних матеріалів».

Професор Кевін Головін - Hочолює Лабораторію міцних репелентних інженерних передових матеріалів (DREAM) у Університет Торонто

Якщо PFAS неможливо повністю виключити з нашого індустріального суспільства, то принаймні їх можна було б зробити менш шкідливими. У цьому контексті слід уникати найдовших PFAS, які були заборонені (більше 8 атомів вуглецю), та дещо коротких (4-6 атомів вуглецю).

«У літературі та навіть у нормативних актах ми бачимо, що саме найдовші ланцюгові перфторвуглецеві ацетати забороняються першими, а коротші вважаються набагато менш шкідливими».

Наш гібридний матеріал забезпечує таку ж ефективність, як і довголанцюгові PFAS, але зі значно зниженим ризиком».

Професор Кевін Головін - Hочолює Лабораторію міцних репелентних інженерних передових матеріалів (DREAM) у Університет Торонто

Оскільки правила щодо забруднення, спричиненого перфторвуглецевими фасфікатами, посилюються, хімічній промисловості терміново потрібні альтернативи.

Полідиметилсилоксан (PDMS)

Дослідники з Університету Торонто працюють з PDMS, матеріалом, який зазвичай комерціалізується під категорією «силікон».

Щоб досягти таких самих антиадгезійних характеристик цього матеріалу, як у тефлону, дослідники використали перфторвуглецеві ацетати (PFAS) з одним атомом вуглецю в бічному ланцюзі (один атом вуглецю з трьома атомами фтору). Вони не тільки менш токсичні, але й коли нарешті розкладаються, утворюють трифтороцтову кислоту (TFA), яка, хоча й набагато менш схильна до біоакумуляції в тканинах людини, все ще є екологічно стійкою та може становити загрозу для водних організмів у високих концентраціях.

Вони використовували пензлик PDMS, який містить безліч нерівномірних шипів кремнію. Потім вони застосували техніку, яка називається флетчинг, додаючи PFAS до кремнієвих структур на нанорівні.

джерело: Природа зв'язку

«Якби можна було зменшити розмір до нанометрового масштабу, це було б трохи схоже на пір’я, яке ви бачите навколо заднього кінця стріли, де вона має виїмку для лука. Це називається оперенням, тобто нанорозмірним оперенням».

Нам вдалося прикріпити близько семи найкоротших молекул PFAS до кінця кожної щетинки PDMS.

Професор Кевін Головін - Hочолює Лабораторію міцних репелентних інженерних передових матеріалів (DREAM) у Університет Торонто

Випробування антиадгезійних властивостей

Щоб перевірити властивості нового кремній-PFAS-опереного матеріалу, вчені розробили тест на розпилення олії, де поверхні піддавалися безперервному розпиленню олії/вуглеводнів (декану, октану або гептану).

джерело: Природа зв'язку

За шкалою, розробленою Американською асоціацією текстильних хіміків та колористів, нове покриття отримало 6 балів, що ставить його на один рівень з багатьма стандартними покриттями на основі PFAS.

джерело: Природа зв'язку

Тестування програм

Новий матеріал потрібно наносити на інші поверхні, щоб стати корисним, наприклад, на труби, хірургічний матеріал або дно каструль. Тож це також було випробувано.

Дослідники застосували нещодавно винайдений матеріал до нейлону, алюмінію та поліестеру, і довели, що він може ефективно видаляти краплі різного поверхневого натягу та в'язкості.

джерело: Природа зв'язку

Це було важливе випробування, оскільки багато поверхонь, що потребують антиадгезійних властивостей, є шорсткими або пористими, а пензлі PDMS, покриті надкоротким PFAS, повинні були працювати з цим типом матеріалу.

Висновок

Керівник наукової групи каже, що команда відкрита до співпраці з виробниками антипригарних покриттів, які, можливо, захочуть розширити та комерціалізувати цей процес.

Вони також продовжуватимуть працювати над подальшим удосконаленням своєї концепції.

«Святим Граалем цієї галузі була б речовина, яка перевершує тефлон, але взагалі не містить перфторвуглецевих олій. Ми ще не зовсім там, але це важливий крок у правильному напрямку».

Професор Кевін Головін - Hочолює Лабораторію міцних репелентних інженерних передових матеріалів (DREAM) у Університет Торонто

Інвестування у виробників хімічної продукції

Хемури

Chemours є поділом від гіганта хімічної промисловості DuPont, що базується в США. Це спеціаліст з виробництва оксиду титану, а також виробник тефлону. Він також виробляє холодильні гази.

Безумовно, титан є основною частиною бізнесу, на який припадає більше половини доходів компанії.

джерело: Хемури

Chemours здебільшого продає продукцію Північній Америці (45%), далі йдуть Азіатсько-Тихоокеанський регіон (24%) та регіон EMEA (20%).

Секція холодоагенту містить старіший фреон і новіший Opteon з набагато меншим викидом парникових газів.

Сегмент передових матеріалів включає антиадгезивний тефлон, гнучкий матеріал Viton, високоефективні мастила Krytox і мембрану Nafion.

джерело: Хемури

Нафіон можна використовувати для очищення та опріснення води, а також для виробництва та використання водню в паливних елементах.

Застосування тефлону виходить далеко за рамки антипригарних сковорідок і включає підтримку виробництва лопатей вітрових турбін, як сполучна речовина в акумуляторах електромобілів, ущільнення для зменшення викидів CO2 або як сполучна речовина в електродах для виробництва водню.

Незважаючи на суперечки, пов'язані з PFAS, тефлон нещодавно був схвалений для використання в напівпровідниках. Це робить Chemours єдиним виробником смол PFA у США, що має вирішальне значення для безпечного ланцюга поставок відповідно до Закону про CHIPS та науку.

Загалом, Chemours — це вузькоспеціалізована хімічна компанія, яка має сильне лідерство у своєму сегменті, успадковане від колишньої материнської компанії DuPont.

Окрім титану, він також має деякі цінні спеціальні хімічні IP. Від викидів холодоагенту до виробництва та використання водню, Chemours, ймовірно, виграє від тенденцій скорочення викидів вуглецю, а також від зростаючого світового попиту на фарби та барвники.

Його брендова сила та комерційні зв'язки також зробили б його ідеальним партнером для дослідників Університету Торонто для розробки альтернатив тефлону, який сьогодні є лише торговою маркою, але не захищений патентними правами інтелектуальної власності.

Останні новини та події щодо акцій Chemours (CC)

Посилання на дослідження

^{1. О, С., Готьє, Дж. Р., Кумрал, Б. та інші Нанорозмірне оперення рідкоподібного полідиметилсилоксану з окремими перфторвуглецями забезпечує стійку масловідштовхувальну здатність. НатуральнийЮр Комунікацій. 16, 6789 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62119-9}