工程师已经开发出聚乙烯自冷织物。图片来源：Svetlana Boriskina
你知道吗，穿在身上的衣服可能是一个大污染源。它们像二氧化碳一样为气候变暖推波助澜。
怎么办？科学家建议把“塑料袋”穿上身。
3月16日刊登于《自然—可持续性》期刊的一项新研究显示，在考虑未来可能成为面料的材料时，科学家忽略了一个有潜力的选择：聚乙烯。
作为保鲜膜和购物袋使用的材料，聚乙烯无法吸水，这种防渗化性一直是其作为可穿戴纺织品的主要障碍。现在，美国麻省理工学院科学家已经突破障碍，将聚乙烯纺成纤维和纱线，并将这些纱线织成丝绸般轻薄的织物。
“2015年，我们就提出了使用聚乙烯纤维进行被动冷却的概念。然而，聚乙烯是疏水的，因而不可以用传统方式染色，所以我们不得不将其设计成一种新的织物材料，后者不仅可以辐射热量进行被动冷却，还可以吸汗，并且舒适。”该论文通讯作者、麻省理工学院机械工程系的Svetlana Boriskina在接受《中国科学报》采访时表示。
衣服上的污染
纺织行业是地球上污染最严重的行业之一，仅次于石油和天然气行业。生产纺织品要消耗大量的水，并产生数百万吨的纺织废料，排放的温室气体占全球温室气体的5%~10%。
而且，纺织品在使用阶段的维护往往比生产阶段消耗更多的能源和水，彩色或混合纺织品还让垃圾分类变得复杂，大多数纺织品最终被扔进垃圾填埋场或焚烧。
“目前全球每年消费的服装超过6200万吨，从原料到加工，这些服装需要消耗大量资源。例如，天然纤维种植需要使用大量水和化学品，占用耕地甚至森林；纤维产品后期化学染色也会造成水浪费和水污染。”清华大学美术学院研究可持续时尚的姜珊梓说。
虽然纺织业长期使用羊毛、棉、丝、麻等天然纤维，但在过去的一个世纪里，涤纶、腈纶和尼龙等合成材料迅速普及。而一种常见的塑料却被忽视了。
这种塑料就是聚乙烯，也是世界上生产最广泛的材料之一。它价格便宜、耐腐蚀、易于制造与回收，在寿命结束时可以转换成燃料源。非织造聚乙烯材料已经用于实验室服装和防护服装的制作。
但由于聚乙烯分子的主链是碳原子，每个碳原子上连着一个氢原子。这种简单结构经过多次重复，就形成了一种类似聚四氟乙烯的结构，能够抵抗水和其他分子的黏附。“每个和我们交谈过的人都说，聚乙烯可能会让你保持凉爽，但因为排斥水，它不会吸汗，所以也就不能用作纺织品。”Boriskina说。
尽管如此，Boriskina和同事们还是试图用聚乙烯制造可编织的纤维。
搓一搓 塑料能吸水
研究人员从原始粉末形式的聚乙烯开始，使用标准的纺织制造设备将聚乙烯熔化并挤压成细纤维，类似于生产面条。令人惊讶的是，他们发现这种挤压过程轻微氧化了材料，使聚乙烯变得弱亲水，并能够吸引水分子到其表面。
该团队又将多个聚乙烯纤维聚集在一起，制成可编织的纱线。他们发现，在一股纱线中，纤维之间的空隙形成了类似毛细血管的通道，一旦水分子被吸引到纤维表面，它们就会被吸收。
为了优化这种吸水能力，研究人员模拟了纤维的性能，发现具有一定直径的纤维在整个纱线中会以特定的方向排列，从而提高了纤维的吸水能力。
基于该模型，研究人员制作了具有更优化的纤维排列和尺寸的聚乙烯纱线，然后使用工业织机将纱线织成织物。为了测试聚乙烯织物、棉、尼龙和聚酯织物的吸汗能力，他们将各类纤维条浸入水中，测量液体吸收或顺着每条纤维条往上运动所需的时间。他们还把织物放在一个磅秤上，测量了水通过织物并蒸发织物的重量。
在测试中，聚乙烯织物能比其他普通纺织品更快消散和蒸发水分。研究人员观察到，聚乙烯在反复润湿过程中失去了一些吸水能力，但通过简单摩擦，或将其暴露在紫外线下，研究人员诱导材料再次变得亲水。
“你可以通过摩擦材料来‘刷新’它，这样就保持了吸汗能力。它可以连续、被动地吸走水分。”Boriskina说。
该团队还发现了一种将颜色融入聚乙烯织物的新方法。研究人员在聚乙烯粉末中加入彩色颗粒，然后将材料挤压成纤维。通过这种方法，颗粒被包裹在纤维中，成功地赋予其颜色。
“我们不需要使用传统的纺织品染色工艺，即把衣服浸泡在刺激性化学溶液中。”Boriskina 说，“我们可以在完全干燥的情况下给聚乙烯纤维上色，在它们生命周期结束后，我们可以熔化、离心，回收颗粒再次使用。”
时尚也可持续
Boriskina的“塑料衣服”并非其貌不扬、远离时尚，相反，它具有丝质的光泽、柔滑凉爽的触感，还能通过快速吸湿和蒸发为穿者降温。
该团队使用纺织行业常用的生命周期评估工具计算了聚乙烯制造纺织品的碳足迹。考虑到聚乙烯的物理性能以及制作和上色过程，研究人员发现，与涤纶和棉布相比，生产聚乙烯纺织品需要的能源更少。
“聚乙烯的熔化温度较低，所以你不需要像合成其他高分子材料那样加热制作纱线。”Boriskina说，“与合成更传统的纺织材料（如聚酯或尼龙）相比，合成聚乙烯释放的温室气体和废热更少。”
此外，在使用阶段，聚乙烯织物对环境的影响也较小，因为与棉布和其他纺织品相比，清洗和干燥它需要的能源更少。
“它不会脏，因为没有东西能粘在上面。”Boriskina说，“你用冷水洗涤聚乙烯只需10分钟，相比之下，用热水洗涤棉布则要1小时。”
研究人员希望，聚乙烯面料能够激励人们回收塑料袋和其他聚乙烯产品，从而增加材料的可持续利用。“一旦有人把塑料袋扔进海里就出现了污染问题。但这些袋子很容易回收，如果你能把聚乙烯制成运动鞋或帽衫，回收这些袋子就很划算了。”Boriskina说。
“可持续时尚为服装行业污染寻找了解决办法。”作为年轻人，姜珊梓认为可持续时尚未来发展趋势是乐观的，“虽然尚未形成清晰系统的规范，但目前已经有许多平台在普及可持续时尚的知识，甚至销售相关产品，同时也推动大众提升绿色消费意识，增强对环境保护的认知”。
现在，Boriskina团队正与陶氏化学、新百伦和Braskem等公司合作，努力让这项技术得到大规模应用。他们也在探索用聚乙烯面料制作轻质、可被动冷却的运动服、军装，甚至下一代太空服。
“我们还致力于研究纤维和织物降解，以及超细纤维/微塑料污染来源，以便使聚乙烯纺织品能抵抗微塑料脱落，为减少微塑料污染提供上游解决方案。”Boriskina说。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41893-021-00688-5
来源：中国科学报
原文链接：http://news.sciencenet.cn//sbhtmlnews/2021/3/361341.shtm
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