Zrównoważona zielona chemia wykorzystywana do tworzenia bezpieczniejszych, bardziej komfortowych mundurów dla żołnierzy

Mundury żołnierzy US Army muszą spełniać długą listę trudnych wymagań. Muszą czuć się komfortowo we wszystkich klimatach, być trwałe poprzez wielokrotne mycie, odporne na pożary i odeprzeć owady, między innymi. Istniejące tkaniny nie sprawdzają wszystkich tych pudełek, więc naukowcy wymyślili nowatorski sposób stworzenia ognioodpornej, odstraszającej owady tkaniny, która wykorzystuje substancje nietoksyczne.

Naukowcy zaprezentują swoje wyniki dzisiaj (17 sierpnia 2020) na Targach Wirtualnych American Chemical Society (ACS) Jesień 2020. ACS organizuje spotkanie do czwartku. Oferuje ponad 6000 prezentacji na wiele tematów naukowych.

„Armia przedstawiła nam ten interesujący i wymagający wymóg wielofunkcyjności”, mówi kierownik badań Ramaswamy Nagarajan, Ph.D. „Istnieją ognioodporne mundury bojowe armii wykonane z różnych materiałów, które spełniają wymagania zmniejszające palność. Ale są drogie i są problemy z farbowania tkanin. Ponadto, niektóre z surowców nie są produkowane w USA. Naszym celem było znalezienie istniejącego materiału, który moglibyśmy zmodyfikować, aby był ognioodporny i odstraszający owady, ale nadal miał tkaninę, którą żołnierz chciałby nosić.”

Ponieważ grupa badawcza Nagarajan koncentruje się na zrównoważonej zielonej chemii, zespół poszukiwał nietoksycznych substancji chemicznych i procesów do tego badania. Zdecydowali się zmodyfikować komercyjnie dostępną mieszankę nylonowo-bawełnianą 50-50, stosunkowo niedrogą, trwałą i wygodną tkaninę produkowaną w USA. Materiał jest stosowany w szerokim zakresie zastosowań cywilnych i wojskowych, ponieważ nylon jest silny i odporny na ścieranie, podczas gdy bawełna jest wygodna w noszeniu. Ale ten rodzaj tekstyliów nie odpycha błędów i wiąże się z wysokim ryzykiem pożaru.

„Zaczęliśmy od produkcji tkaniny ognioodpornej, koncentrując się na bawełnianej części mieszanki”, wyjaśnia Sourabh Kulkarni, doktorant, który współpracuje z Nagarajanem na University of Massachusetts Lowell Center for Advanced Materials. „Bawełna ma wiele grup hydroksylowych (tlen i wodór połączony ze sobą) na swojej powierzchni, które mogą być aktywowane przez łatwo dostępne chemikalia, aby połączyć się ze związkami zawierającymi fosfor, które nadają trudnopalność.” Dla ich związku zawierającego fosfor, wybrali kwas fitynowy, obfitą, nietoksyczną substancję występującą w nasionach, orzechach i ziarnach.

Następnie naukowcy zajęli się kwestią zmuszania materiału do odpychania owadów, aby żołnierze nie musieli się wielokrotnie rozpylać ani nosić dodatkowego przedmiotu w swoich opakowaniach. Zespół wziął permetrynę, codzienny nietoksyczny środek odstraszający owady, i przymocował ją do tkaniny za pomocą osadzania wspomaganego plazmą we współpracy z lokalną firmą, LaunchBay. Dzięki próbom i błędom naukowcy w końcu uzyskali zarówno kwas fitynowy, jak i permetrynę, aby połączyć się z cząsteczkami powierzchni tkaniny.

Stosując metody pomiaru wydajności uwalniania ciepła i całkowitego uwalniania ciepła, a także pionowy test płomienia, odkryli, że zmodyfikowany materiał działał o co najmniej 20% lepiej niż nieprzetworzony materiał. Zastosowali również standardowy test odporności owadów z żywymi komarami i stwierdzili, że skuteczność była większa niż 98%. Wreszcie, tkanina pozostała „oddychająca” po leczeniu, zgodnie z badaniami przepuszczalności powietrza.

„Jesteśmy bardzo podekscytowani”, mówi Nagarajan, „ponieważ pokazaliśmy, że możemy zmodyfikować tę tkaninę tak, aby była ognioodporna i odstraszająca owady — i nadal była dość trwała i wygodna. Chcielibyśmy użyć substancji innej niż kwas fitynowy, która zawierałaby więcej fosforu, a tym samym nadawała większy poziom zmniejszającej palność, lepszą trwałość i nadal nietoksyczna dla skóry żołnierza. Po pokazaniu, że możemy zmodyfikować tkaninę, chcielibyśmy również sprawdzić, czy możemy dołączyć środki przeciwdrobnoustrojowe, aby zapobiec zakażeniom bakterii, a także barwnikom, które pozostają trwałe.”