特氟龙:从发明到环境危机

作者: 李研

来源: 赛先⽣

发布日期: 2024-05-13 17:04:03

特氟龙材料因其卓越的性能在多个领域广泛应用,但其生产过程中使用的全氟辛酸(PFOA)等物质对环境和健康造成严重威胁。尽管特氟龙本身在合理使用条件下相对安全,但其生产助剂PFOA具有致癌性和生物累积性,难以自然降解,已成为全球性的环境问题。科学家和企业正在寻找替代品和降解方法,以减少其对环境和健康的负面影响。

我们⽣活中常⻅的不粘锅,常⽤的涂层就是⼀种叫做特氟⻰的材料。这种材料因其卓越的耐热、耐化学腐蚀和防粘性能,⼀经问世,就迅速在不粘锅、医疗器械等领域获得⼴泛应⽤,极⼤改善了我们的⽇常⽣活。但始料未及的是,特氟⻰的⽣产过程竟暗藏严重的健康⻛险,由此引发的环境污染⾄今难以消除。

2024年5⽉12⽇是特氟⻰发明者美国化学家罗伊·普伦基特逝世30周年。《赛先⽣》特回顾特氟⻰从诞⽣⾄今的历史,以理解科技作为双刃剑带给⼈类的影响。

时间回到1938年4⽉6⽇,时年27岁的罗伊·普伦基特正在杜邦公司从事化学研究员的⼯作。他已经获得俄亥俄州⽴⼤学的博⼠学位,所在的项⽬组致⼒于利⽤含氟⽓体开发新型制冷剂。

普伦基特将前⼀天合成的四氟⼄烯⽓体暂时储存在⼀个⼩钢瓶中,并对充⽓前后钢瓶的重量进⾏了仔细称量。第⼆天,当他和助⼿打开减压阀准备进⾏后续实验时,却完全没有听到期待的⽓体通过阀⻔时的声响,⽽当他满腹狐疑地摇晃钢瓶时,却似乎听到⾥⾯有固体的响动。他重新称重,确认昨天放⼊瓶⼦中的⽓体应该并没有泄露。于是,他卸掉阀⻔,把钢瓶倒了过来时,发现⼀些未知的⽩⾊粉末掉落到实验台上。这更加勾起了普伦基特的好奇⼼。

他决定⼀不做⼆不休,让⼯⼈彻底锯开了⽓瓶以⼀探究竟。这时,他才注意到⽓罐底部出现了许多摸起来很滑溜的⽩⾊蜡状固体。

在当天的实验记录本上,普伦基特写道:“得到了⽩⾊固体物质,应该是聚合产物。”这表明,他仅凭直觉就⽴刻明⽩发⽣了什么,尽管当时化学界普遍持有氟化⼄烯⽆法聚合的错误观念。随后的分析测试表明,⽩⾊蜡状固体的确是聚四氟⼄烯——原先的四氟⼄烯⽓体在压⼒作⽤和钢瓶内壁铁元素的催化下聚合了,⽣成了另外⼀种新物质聚四氟⼄烯。

聚四氟⼄烯的分⼦结构与常⻅的聚⼄烯⻓得很像,只是其中的所有氢原⼦都被氟原⼦取代了,但由于碳氟键(C-F)结合⼒远超碳碳键(C-C),极难被破坏,所以它耐热耐寒、抗酸抗碱,⼏乎不受任何化学溶剂的侵蚀。时值第⼆次世界⼤战爆发,美国正在积极研制原⼦弹。六氟化铀(UF6)是富集U-235的必备原料,但UF6腐蚀性极强。

为寻找可靠的密封材料,⼯程师们求助于杜邦公司,于是,聚四氟⼄烯在诞⽣之初就在“曼哈顿计划”中派上了⼤⽤场,作为UF6的密封材料。

1945年⼆战结束,聚四氟⼄烯不再是军事机密,它也被杜邦公司冠以“Teflon?”(中⽂译为“特氟⻰”)的商标正式上市。特氟⻰除了⾮凡的化学稳定性,还具有独特的⼒学性能,它的表⾯摩擦系数极低,这意味着它的表⾯⾮常“滑溜”,甚⾄以“⻜檐⾛壁”著称的壁⻁都抓不牢。

如果⽤作涂层可以显著减少机械磨损和污渍的黏附。喜欢烹饪的⼈都知道,拥有⼀⼝好锅⾮常关键。⽤传统铁锅煎炸⻝材时,⼀不⼩⼼就会粘锅,给厨师带来不少烦恼。1954年的⼀天,法国妇⼥柯莱特注意到丈夫⽤的钓⻥线上,特氟⻰涂层有防⽌打结的效果。她脑洞⼤开,认为如果将其⽤在煎锅上,效果⼀定特别好,⽽她的丈夫恰好是⼀名⼯程师,于是世界上第⼀⼝特氟⻰“不粘锅”诞⽣了。

杜邦公司闻之此事,⽴⻢就购买了相关专利,进⾏批量⽣产。特氟⻰也随着这位家庭主妇的奇思妙想⼀炮⾛红,⾛进千家万户。

现有研究认为,特氟⻰疏⽔⼜疏油,极难被⼈体吸收,即便⼈们不⼩⼼把⼀点特氟⻰吃进了肚⼦⾥,它也很容易原样随代谢排出,不会被⼈体吸收。特氟⻰在260摄⽒度以下保持稳定,所以带有特氟⻰涂层的不粘锅,只要不放在⽕上⼲烧(炒菜油温通常低于200摄⽒度),原则上就可以放⼼使⽤。

然⽽,聚合物的安全性并不完全在于聚合物本身,在其⽣产过程中所使⽤和排放的物质,也需要纳⼊安全考虑的范畴。谁曾想到,正是对这⼀问题的忽视,引发了⼀场空前的环境危机。

1981年,⼀位⻄弗吉尼亚州杜邦⼯⼚的⼥⼯在这⼀年⽣下了⼀个畸形⼉,孩⼦⾯部有明显的缺陷且只有⼀个⿐孔。随后,她同事的孩⼦也出现了先天的眼部缺陷。这两位⼥⼯在怀孕期间都负责处理⼀种被杜邦称为“C-8”的化学品。同岗位的两位⼥⼯都⽣下畸形婴⼉,这⾜以让⼈⼼⽣警惕,但杜邦公司只是陆续辞退了特氟⻰⽣产线上的所有⼥⼯,并尽⼒掩盖了此事。

1998年,俄亥俄州⼀个养殖场的主⼈将牧场上游的66英亩⼟地卖给了杜邦公司,⽤作填埋化学废料。不久之后,他的牧场就有200多头⽜出现异常⾏为,它们⾛路摇摇晃晃,身体严重畸形,最终成群地死去。养殖场主严重怀疑这是因为化学品中毒。他解剖了死⽜,保留了病变的器官作为证据,并且向熟悉环保诉讼的律师罗伯·⽐洛特寻求帮助。

⽐洛特在调查此案时意外发现,杜邦公司的内部⽂件中提到有⼤量被称为“C-8”的物质被倾泻在附近的垃圾填埋场。接连出现的触⽬惊⼼的事件,将⽭头指向了“C-8”这种化合物。“C-8”实际上是由8个碳原⼦排列组成的全氟⾟酸(PFOA)的代名词,它的出现同样可以追溯到⼆战“曼哈顿计划”时期对氟化物的需求。

从1951年起,杜邦就开始将3M公司⽣产的全氟⾟酸作为制造特氟⻰的助剂,⽤于调控乳液聚合的反应速度,防⽌产物结块。但直到20世纪末,公众对这种化合物依然知之甚少。

针对特氟⻰的⽣产,杜邦公司⾃2013年起使⽤⼀种被称为GenX的化合物替代全氟⾟酸,作为聚合过程中的助剂。实际上,GenX同样属于PFAS中的⼀种,动物实验也表明GenX具有和全氟⾟酸相似的毒性,只是因为分⼦中碳链较短,⼈们期待它可以相对容易地被⾼温去除或降解,减少环境积累以及在不粘锅等各种特氟⻰产品中的残留。

86年前,原本期望开发⽓体制冷剂的普伦基特,因实验中的意外⽽收获了特氟⻰。

⽽回⾸关于特氟⻰的故事,同样也有着出⼈意料的反转。性质独特的特氟⻰极⼤改善了⼈们的⽣活,推动了技术的进步,但因⽣产商的短视和贪婪,竟引发了⼀场全球性的污染危机,导致了⼀系列令⼈⼼碎的悲剧。⽬前,科学家们已经开发出部分PFAS的替代⽅案,但还有⼤量关键的PFAS应⽤尚未找到合适的解决⽅法,已有的替代品也难以完全符合环保的标准。

如何在经济增⻓和⽣活质量提⾼的同时,实现可持续发展,不把环境和健康的⻛险留给后⼈,将会是⼈类社会发展中⼀个永恒的话题。

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