Более половины из 7,5 миллионов тюков хлопка, производимых ежегодно в США, используется в производстве одежды. Технологии отделки, применяемые для придания хлопковой ткани гладкости, водоотталкивающих свойств и устойчивости к сминанию, могут наносить вред окружающей среде и здоровью человека.
Исследователи предлагают метод использования хлопкового масла в качестве более экологичной и безопасной альтернативы формальдегиду и полифторированным алкилсоединениям (PFAS), часто называемым «вечными химикатами», при отделке хлопковых тканей.
Тейлор Канип, аспирантка Университета штата Северная Каролина (NC State), представила свои результаты на осеннем собрании Американского химического общества (ACS Fall 2025), которое проходило с 17 по 21 августа.
Процесс сбора хлопка и создания ткани для текстиля включает в себя:
* сбор пушистых целлюлозных волокон хлопчатника;
* удаление семян хлопка, перемешанных с волокнами;
* прядение хлопка в пряжу;
* ткачество пряжи в ткань;
* отделку ткани различными химическими веществами, которые изменяют её физические свойства — например, делают её мягче или устойчивой к сминанию.
Традиционно для отделки тканей использовались смолы на основе формальдегида. Липкая смола легко связывается с целлюлозными волокнами хлопка, образуя химические мостики, которые делают длинные целлюлозные волокна устойчивыми к сминанию или растяжению.
Хотя формальдегид дёшев, прост в использовании и обладает высокой реакционной способностью, в высоких концентрациях он считается канцерогеном класса 1. Формальдегид также может вызывать раздражение кожи и дыхательных путей.
Фторсодержащие водоотталкивающие покрытия создают гидрофобную поверхность, делая хлопковую ткань водонепроницаемой. Однако эти покрытия содержат PFAS, такие как перфтороктanesulfonate и перфтороктеновая кислота, и постепенно выводятся из употребления из-за их стойкости и потенциальной связи с заболеваниями.
Чтобы устранить необходимость в смолах на основе формальдегида и PFAS при отделке хлопковых тканей, группа под руководством Ричарда Вендитти, профессора лесных биоматериалов, бумажной науки и инженерии в NC State, поставила перед собой задачу создать «зелёную» альтернативу путём химического изменения масла из семян хлопчатника.
Опираясь на предыдущие исследования в NC State, Канип, Вендитти и их коллеги использовали специфические химические свойства хлопкового масла для вставки эпоксидных групп вдоль длинных углеродных цепей, составляющих молекулы масла.
Группа эпоксида позволяет молекулам эпоксидированного хлопкового масла (ECSO) создавать прочные химические связи с целлюлозными волокнами хлопковой ткани и друг с другом, образуя полимер и делая ткань гидрофобной. Эпоксидные группы также создают мостики из масляных молекул между целлюлозными волокнами, делая ткань устойчивой к сминанию.
Помимо отделки тканей, ECSO может найти применение для хлопкового масла, собираемого вместе с хлопковыми волокнами, что делает его таким же недорогим, простым в использовании и эффективным, как смолы на основе формальдегида.
«Эпоксидированные растительные масла имеют ряд применений, — объясняет Канип. — Хотя нативному хлопковому маслу не хватает реакционной способности смол на основе формальдегида, этот простой процесс эпоксидирования даёт более безопасную и удобную в использовании альтернативу для таких применений, как отделка тканей с долговечной прессовкой».
Исследователи взвесили и химически проанализировали ткань, обработанную ECSO, с помощью инфракрасной спектроскопии, чтобы убедиться, что молекулы ECSO успешно связались с поверхностью ткани. Чтобы оценить водоотталкивающие свойства готовой ткани, исследователи использовали высокоскоростную камеру для измерения угла контакта, при котором капли воды взаимодействуют с хлопковой поверхностью.
Чем больше угол между каплей воды и поверхностью ткани, тем выше её водостойкость. Необработанная ткань не имела угла контакта (другими словами, вода полностью впитывалась в ткань), в то время как ткань, обработанная ECSO, имела угол контакта 125 градусов, что указывает на значительное увеличение водоотталкивающей способности.
Дальнейшие исследования позволят измерить дополнительные эксплуатационные характеристики хлопковой ткани, обработанной ECSO, включая прочность на разрыв, долговечность и устойчивость к сминанию. Конечная цель команды — создать процесс обработки хлопка водной эмульсией ECSO — «зелёный» процесс, не требующий опасных отделочных веществ.
«Если мы сможем достичь нашей цели — изменить свойства хлопковой ткани, сделав её устойчивой к сминанию, окрашиванию и водонепроницаемой, используя процесс на водной основе, у нас будет «зелёный» процесс нанесения биоматериала на хлопок в качестве замены отделкам на основе формальдегида и PFAS», — говорит Вендитти.