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防水防油特性

這種新物質(zhì)防水和防油脂的能力與標(biāo)準(zhǔn)不粘涂料相當(dāng)，但其含有的全氟烷基和多氟烷基物質(zhì)（PFAS）含量要低得多。PFAS是一類引發(fā)環(huán)境和健康擔(dān)憂的化學(xué)物質(zhì)。

“長期以來，研究界一直在努力開發(fā)PFAS的更安全替代品。挑戰(zhàn)在于，制造一種能防水物質(zhì)很容易，但很難制造出一種也能同等程度防油防脂的物質(zhì)?？茖W(xué)家們此前認(rèn)為這些替代材料的性能存在上限，”多倫多大學(xué)工程學(xué)耐久拒液先進(jìn)材料（DREAM）實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Kevin Golovin教授如是說。

自20世紀(jì)30年代末發(fā)明以來，特氟龍（Teflon，又稱聚四氟乙烯或 PTFE）因其能同時(shí)防水、防油和防脂而聞名。特氟龍屬于全氟烷基和多氟烷基物質(zhì)（PFAS）這一更大的物質(zhì)家族。

PFAS分子由碳原子鏈構(gòu)成，每個(gè)碳原子都與幾個(gè)氟原子鍵合。碳氟鍵的惰性賦予了PFAS不粘的特性。

然而，這種化學(xué)惰性也導(dǎo)致PFAS能夠抵抗隨時(shí)間分解其他有機(jī)分子的正常過程。因此，它們有時(shí)被稱為“永久化學(xué)物”。

應(yīng)對PFAS風(fēng)險(xiǎn)

除了持久性之外，PFAS還因其會(huì)在生物組織中積累而聞名，并且隨著它們在食物鏈中傳遞，其濃度會(huì)被放大。

多項(xiàng)研究已將高水平接觸PFAS與某些類型的癌癥、出生缺陷和其他健康問題聯(lián)系起來，其中長鏈PFAS通常被認(rèn)為比短鏈PFAS危害更大。

盡管存在風(fēng)險(xiǎn)，但由于缺乏替代品，PFAS在消費(fèi)品中仍然無處不在：它們不僅廣泛應(yīng)用于鍋具，還用于防雨織物、食品包裝，甚至化妝品中。

“我們一直研究作為PFAS替代品的材料是聚二甲基硅氧烷，簡稱 PDMS。PDMS常以硅膠的名稱銷售，根據(jù)其配方不同，它可以具有非常好的生物相容性——事實(shí)上，它常用于設(shè)計(jì)植入體內(nèi)的器械。但直到現(xiàn)在，我們還無法讓PDMS的性能達(dá)到與PFAS相當(dāng)?shù)乃健?rdquo;Golovin繼續(xù)說道。

通過納米級羽化技術(shù)克服難題

為了克服這個(gè)問題，機(jī)械與工業(yè)工程系（MIE）博士生Samuel Au開發(fā)了一種新的化學(xué)技術(shù)，團(tuán)隊(duì)稱之為納米級羽化（nanoscale fletching）。

“與典型的硅膠不同，我們將短鏈PDMS鍵合到基底材料上——你可以把它們想象成刷子上的刷毛。為了提高其防油能力，我們現(xiàn)在添加了盡可能最短的PFAS分子，它由一個(gè)碳原子和三個(gè)氟原子組成。我們能夠在每根PDMS‘刷毛’的末端鍵合大約七個(gè)這樣的分子。”Au解釋道。

“如果你能縮小到納米尺度，它看起來會(huì)有點(diǎn)像你在箭尾（搭弓處）周圍看到的羽毛。那叫做箭羽，所以這是納米級的箭羽技術(shù)。”

混合材料降低風(fēng)險(xiǎn)

Au和團(tuán)隊(duì)將他們的新材料涂在一塊織物上，然后滴上各種油滴，觀察其防油效果。根據(jù)美國紡織化學(xué)師與印染師協(xié)會(huì)（AATCC）制定的等級標(biāo)準(zhǔn)，這種新涂料達(dá)到了6級，與許多標(biāo)準(zhǔn)的PFAS基涂料相當(dāng)。

“雖然我們在這個(gè)工藝中確實(shí)使用了PFAS分子，但它是最短的一種，因此不會(huì)生物積累。我們在文獻(xiàn)甚至法規(guī)中看到，最先被禁止的是最長鏈的PFAS，而較短的則被認(rèn)為危害性小得多。我們的混合材料提供了與長鏈PFAS相同的性能，但風(fēng)險(xiǎn)大大降低。”Golovin陳述道。

Golovin表示，團(tuán)隊(duì)愿意與希望擴(kuò)大規(guī)模并商業(yè)化該工藝的不粘涂料制造商合作。同時(shí)，他們將繼續(xù)研究更多的替代品。

“該領(lǐng)域的‘理想結(jié)果’將是性能超越特氟龍、且完全不含有PFAS的物質(zhì)。我們尚未完全達(dá)到目標(biāo)，但這是在正確方向上邁出的重要一步。”Golovin補(bǔ)充道。