Nyt biomateriale kan erstatte plastlaminater, reducere forureningen kraftigt

Et billigt biomateriale, der kan bruges til bæredygtigt at erstatte plastbarrierebelægninger i emballage og mange andre applikationer, er blevet udviklet af Penn State-forskere, som forudser, at det bliver vedtaget, vil i høj grad reducere forureningen.

Fuldstændig komposterbar, materialet - et polysaccharid polyelektrolytkompleks - består af næsten lige store dele af behandlet cellulosemasse fra træ eller bomuld, og chitosan, som er afledt af kitin - den primære ingrediens i eksoskeletterne af leddyr og krebsdyr. Den vigtigste kilde til kitin er bjergene af rester af skaller fra hummere, krabber og rejer indtaget af mennesker.

Disse miljøvenlige barrierebelægninger har adskillige anvendelsesmuligheder lige fra vandafvisende papir, til belægninger til loftplader og vægplader, til madbelægninger for at forsegle friskheden, ifølge ledende forsker Jeffrey Catchmark, professor i landbrugs- og biologisk teknik, Højskole for Landbrugsvidenskab.

"Materialet er uventet stærkt, uopløselige klæbeegenskaber er nyttige til emballage såvel som andre applikationer, såsom bedre præstationer, helt naturlige træfiberkompositter til byggeri og jævne gulve, " sagde han. "Og teknologien har potentialet til at blive inkorporeret i fødevarer for at reducere fedtoptagelsen under stegning og bevare sprødheden. Da belægningen i det væsentlige er fiberbaseret, det er et middel til at tilføje fibre til diæter."

Den utroligt robuste og holdbare binding mellem carboxymethylcellulose og chitosan er nøglen, forklarede han. De to meget billige polysaccharider – der allerede bruges i fødevareindustrien og i andre industrisektorer – har forskellige molekylære ladninger og hænger sammen i et kompleks, der danner grundlaget for uigennemtrængelige film, belægninger, klæbemidler og meget mere.

Den potentielle reduktion af forurening er enorm, hvis disse barrierebelægninger erstatter millioner af tons oliebaseret plast, der er forbundet med fødevareemballage, der bruges hvert år i USA – og meget mere globalt, Catchmark noteret.

Han påpegede, at den globale produktion af plast nærmer sig 300 millioner tons om året. I det seneste år, mere end 29 millioner tons plastik blev kommunalt fast affald i USA, og næsten halvdelen var plastikemballage. Det forventes, at 10 procent af al plastik, der produceres globalt, vil blive havaffald, repræsenterer en betydelig økologisk og menneskers sundhedstrussel.

Polysaccharid-polyelektrolytkompleks-belægningerne klarede sig godt i forskning, hvis resultater blev offentliggjort for nylig i Grøn Kemi . Pap belagt med biomaterialet, består af nanostrukturerede fibrøse partikler af carboxymethylcellulose og chitosan, udvist stærke olie- og vandbarriereegenskaber. Belægningen modstod også toluen, heptan og saltopløsninger og udviste forbedrede våde og tørre mekaniske og vanddampbarriereegenskaber.

"Disse resultater viser, at polysaccharid polyelektrolyt kompleks-baserede materialer kan være konkurrencedygtige barrierealternativer til syntetiske polymerer til mange kommercielle anvendelser, " sagde Catchmark, WHO, i samråd med Penn State, har søgt patent på belægningerne.

"Ud over, dette arbejde viser, at nye, uventede egenskaber dukker op fra multi-polysaccharid-systemer, der er involveret i elektrostatisk kompleksdannelse, muliggør nye højtydende applikationer."

Catchmark begyndte at eksperimentere med biomaterialer, der kunne bruges i stedet for plast for et årti eller deromkring siden af ​​bekymringer for bæredygtighed. Han blev interesseret i cellulose, hovedkomponenten i træ, fordi det er den største volumen, der er bæredygtig, vedvarende materiale på jorden. Catchmark studerede dens nanostruktur - hvordan den er samlet på nanoskala.

Han troede, at han kunne udvikle naturlige materialer, der er mere robuste og forbedre deres egenskaber, så de kunne konkurrere med syntetiske materialer, der ikke er bæredygtige og genererer forurening – såsom lavdensitets polyethylenlaminat påført pap, Styrofoam og solid plast bruges i kopper og flasker.

"Udfordringen er, for at gøre det skal du være i stand til at gøre det på en måde, der kan fremstilles, og det skal være billigere end plastik, " Catchmark forklaret. "Fordi når du laver en ændring til noget, der er grønnere eller bæredygtigt, du skal virkelig betale for skiftet. Så det skal være billigere, for at virksomhederne rent faktisk kan få noget ud af det. Dette skaber et problem for bæredygtige materialer - en inerti, der skal overvindes med en lavere pris."

Finansieret af en forskningsansøgning om innovationsstipendium fra College of Agricultural Sciences, Catchmark arbejder i øjeblikket på at udvikle kommercialiseringspartnere i forskellige industrisektorer for en bred vifte af produkter.

"Vi forsøger at tage det sidste skridt nu og gøre en reel indflydelse på verden, og få industrifolk til at stoppe med at bruge plastik og i stedet bruge disse naturlige materialer, " sagde han. "Så de (forbrugerne) har et valg - efter at biomaterialerne er brugt, de kan genbruges, begravet i jorden eller komposteret, og de vil nedbrydes. Eller de kan fortsætte med at bruge plastik, der ender i havene, hvor de vil vare ved i tusinder af år."

Også involveret i forskningen var Snehasish Basu, post-doc stipendiat, og Adam Plucinski, kandidatstuderende, nu underviser i teknik ved Penn State Altoona. Personale i Penn State's Material Research Institute ydede assistance med projektet.