ポリエチレンが、着用可能な布地として織り直されつつあります。
この素材は、水分や汗を閉じ込めてしまうことから、長らく候補から外されてきました。
しかし今回、MITの研究者らがポリエチレンを、水分を素早く吸い上げるよう設計した繊維と糸に紡ぎ上げました。
未来の布地となりうる素材を検討する中で、科学者らはポリエチレンという、広く入手可能な選択肢をおおむね除外してきました。
ラップや買い物袋に使われるポリエチレンは、薄くて軽量で、熱を閉じ込めるのではなく通すため、ほとんどの繊維より涼しく保てる可能性があります。しかし、ポリエチレンは水分を引き離して蒸発させることができないため、水分や汗も閉じ込めてしまいます。この吸水性の欠如が、ポリエチレンが着用可能な繊維として採用される上での大きな障害となってきました。
今回、MITの研究者らはポリエチレンを、水分を吸い上げるよう設計した繊維と糸に紡ぎ上げました。その糸を織り上げて、なめらかで軽量な布地にしたところ、綿、ナイロン、ポリエステルなどの一般的な繊維より速く水を吸収し、蒸発させることができました。
研究チームはまた、ポリエチレンを繊維として生産・使用した場合の生態学的フットプリントも算出しました。多くの想定に反して、ポリエチレン製の布地は、ライフサイクル全体で見ると、綿やナイロンの繊維より環境負荷が小さい可能性があると推定しています。
研究チームは、ポリエチレン製の布地が、プラスチック袋やその他のポリエチレン製品を着用可能な繊維へとリサイクルする動機付けになり、この素材の持続可能性を高めることを期待しています。
「プラスチック袋が一度海に投げ込まれると、それは問題になります。しかし、これらの袋は容易にリサイクルできます。ポリエチレンをスニーカーやパーカーに加工できるのであれば、こうした袋を回収してリサイクルすることは経済的にも理にかなうでしょう」と、MIT機械工学科の研究科学者であるスヴェトラーナ・ボリスキナ氏は述べています。
ボリスキナ氏と同僚の研究者らは、本日、その研究成果をNature Sustainabilityに発表しました。
水を吸い上げる仕組み
ポリエチレンの分子はそれぞれに水素原子が結合した炭素原子の骨格を持っています。この単純な構造が何度も繰り返されることで、水やその他の分子がくっつくのを防ぐテフロンのような構造が形成されます。
「話を聞いた人は皆、ポリエチレンは涼しさを保てるかもしれないが、水をはじくため水分や汗を吸収せず、そのため繊維としては機能しないと言っていました」と、ボリスキナ氏は述べています。
それでも、ボリスキナ氏と同僚の研究者らは、ポリエチレンから織り込み可能な繊維を作ることに挑みました。まず粉末状のポリエチレンを原料とし、標準的な繊維製造設備を使って溶融・押し出しを行い、スパゲッティの麺を作るように細い繊維にしました。意外なことに、この押し出し工程によって素材がわずかに酸化し、繊維の表面エネルギーが変化して、ポリエチレンが弱い親水性を持ち、表面に水分子を引き寄せられるようになったことが分かりました。
研究チームは、2台目の標準的な押出機を使って複数のポリエチレン繊維をまとめ、織り込み可能な糸を作りました。その結果、糸の内部では繊維同士の間にできる隙間が毛細管を形成し、繊維の表面に引き寄せられた水分子を受動的に吸収できることが分かりました。
この新たな吸水性能を最適化するため、研究者らは繊維の特性をモデル化し、特定の直径の繊維を糸の中で特定の方向に揃えて配置すると、繊維の吸水性能が向上することを突き止めました。
研究者らはこのモデルに基づき、繊維の配置と寸法をより最適化したポリエチレン糸を作製し、その後、工業用織機を使ってその糸を布地に織り上げました。次に、ポリエチレン製の布地を綿、ナイロン、ポリエステルの布地と比較する吸水性能試験を行いました。布地の短冊を水に浸し、液体が各短冊を吸い上がっていくまでの時間を測定しました。また、各布地を単一の水滴の上に置いた秤に載せ、水が布地に吸い上げられて蒸発していく過程で、経時的な重量変化を測定しました。
すべての試験において、ポリエチレン製の布地は、他の一般的な繊維より速く水を吸い上げて蒸発させました。研究者らは、ポリエチレンが繰り返し濡れることで、水を引き寄せる能力の一部を失うことも確認しましたが、摩擦を加えたり紫外線にさらしたりするだけで、再び親水性を回復させることができました。
「素材同士をこすり合わせることで、性能を回復させることができます。そうすれば吸水能力を維持できます」と、ボリスキナ氏は述べています。「継続的かつ受動的に水分を吸い上げ続けることができるのです。」
エコサイクル
研究チームは、ポリエチレン製の布地に色を付ける方法も見出しました。これは従来のインクや染料をはじめ、他の分子との結合を素材が拒むため、これまで課題となってきました。研究者らは、粉末状のポリエチレンを繊維状に押し出す前に、着色粒子を加えました。このようにして粒子が繊維内部に封入され、繊維に色を付けることに成功しました。
「従来の繊維染色のように、布地を強い化学薬品の溶液に浸す必要はありません」と、ボリスキナ氏は述べています。「ポリエチレン繊維は完全に乾いた状態で着色できます。そして、ライフサイクルの終わりには、溶融して遠心分離し、粒子を回収して再利用することalso可能です。」
研究者らによれば、チームの乾式着色工程は、ポリエチレンを繊維製品に使用した場合の生態学的フットプリントが比較的小さいことにも寄与しています。チームは、繊維業界で一般的に使われているライフサイクルアセスメントツールを用いて、このフットプリントを算出しました。ポリエチレンの物理的特性や、布地の製造と着色に必要な工程を考慮した結果、研究者らは、ポリエステルや綿と比べて、ポリエチレン製の繊維を生産するのに必要なエネルギーは少なくて済むことを突き止めました。
「例えば、ポリエチレンは融点が低いため、糸を作る際に他の合成高分子素材ほど加熱する必要がありません」と、ボリスキナ氏は説明しています。「原料となるポリエチレンの合成も、ポリエステルやナイロンといった従来の繊維素材の合成と比べて、温室効果ガスや廃熱の排出が少なくなります。綿も栽培に多くの土地、肥料、水を必要とし、強い化学薬品で処理されるため、これらすべてが大きな生態学的フットプリントを伴います。」
ボリスキナ氏によると、使用段階においても、ポリエチレン製の布地は環境負荷を小さくできる可能性があるといいます。綿やその他の繊維と比べて、洗濯や乾燥に必要なエネルギーが少なくて済むためです。
「何も付着しないため、汚れにくいのです」と、ボリスキナ氏は述べています。「ポリエチレンは冷水で10分間洗濯することができますが、綿は熱水で1時間洗濯する必要があります。」
「意外な発見ではありますが、実験の設計とデータは非常に説得力があると思います」と、本研究には関与していない、カリフォルニア大学サンディエゴ校の材料科学者であるシャーリー・メン氏は述べています。「本論文で示されたデータに基づくと、ここで報告された特定のPE布地は、綿より優れた特性を示しています。重要な点は、リサイクルされたPEを布地、すなわち大きな価値を持つ製品に使用できるということです。これこそ、PEリサイクルと循環型経済に欠けていた要素です。」
研究チームは、ポリエチレン製の布地を、軽量で受動的に冷却機能を持つスポーツウェア、軍服、さらには次世代の宇宙服に取り入れる方法を検討しています。ポリエチレンは、宇宙の有害なX線放射から身を守る効果があるためです。
この国際研究チームには、MIT、イタリアのトリノ工科大学、米国陸軍戦闘能力開発司令部兵士センター、ダナ・ファーバーがん研究所、イタリアの国立計量研究所INRIM、韓国の国防技術品質院、メキシコのモンテレイ工科大学・高等教育機関の研究者が参加しました。
本研究は、一部、米国陸軍研究所、
Advanced Functional Fabrics of America（AFFOA）研究所、MIT国際科学技術イニシアチブ（MISTI）、MITデシュパンデ・センター、MIT・モンテレイ工科大学ナノテクノロジープログラムの支援を受けています。
