Klæbende situation:Ny proces forvandler trærester til tape

Uanset om du pakker en gave ind eller binder et sår, du er afhængig af et klæbemiddel for at få arbejdet gjort.

Disse klæbrige stoffer er ofte lavet af råolieafledte materialer, men hvad nu hvis der var en mere bæredygtig måde at lave dem på? Nu, et team af ingeniører ved University of Delaware har udviklet en ny proces til at lave tape af en vigtig bestanddel af træer og planter kaldet lignin - et stof, som papirproducenter typisk smider væk. Hvad mere er, deres opfindelse fungerer lige så godt som mindst to kommercielt tilgængelige produkter.

Forskerne beskrev for nylig deres resultater i ACS Central Science , og de arbejder på flere måder at opgradere skrottræ og planter til "designermaterialer" til forbrugerbrug.

Sticky videnskab

Lignin er en vedvarende ressource, et stof i træer, der er med til at gøre dem stærke. Men du behøver ikke at fælde træer for at få det, for der er masser liggende. Når papirmasse- og papirproducenter behandler træ, ligninet efterlades og kasseres normalt på lossepladser eller brændes til varme. Nogle virksomheder er endda villige til at levere en gratis dumper fuld af tingene, fordi det er billigere end at bortskaffe det på en losseplads. En billig, rigeligt og bæredygtigt materiale, lignin udgør en fremragende mulighed for nogle videnskabeligt avancerede upcycling.

Lignin er også en naturlig polymer, et materiale lavet af meget store molekyler sammensat af mindre underenheder kaldet monomerer. Lignin deler nogle strukturelle og materialemæssige egenskaber ligheder med petroleum-afledte polymerer, såsom polystyren og polymethylmethacrylat, som almindeligvis anvendes i klæbemidler og andre forbrugerprodukter, fra emballagematerialer til kopper.

"En af de tanker, vi altid har haft, er:Kan vi tage lignin og lave nyttige produkter, og i dette tilfælde, nyttige polymerer ud af det?" sagde Thomas H. Epps, III, Thomas og Kipp Gutshall professor i kemi og biomolekylær teknik, professor i materialevidenskab og teknik ved UD, og den tilsvarende forfatter til det nye papir. I særdeleshed, Epps havde mistanke om, at lignin kunne bruges til at fremstille klæbemidler med lignende styrke, sejhed, og ridsefasthed til de petroleumsbaserede versioner.

Gaffatape, gult multi- og papirbånd til maler.

Før ligninet kunne omdannes til et produkt, det blev nedbrudt af forskere ved Catalysis Center for Energy Innovation (CCEI), et multiinstitutionelt forskningscenter ved UD etableret ved en bevilling fra det amerikanske energiministerium.

Dionisios Vlachos, direktør for CCEI og Delaware Energy Institute, er en international ekspert i katalyse, processer, der fremskynder kemiske reaktioner. I næsten et årti, Vlachos og hans team har perfektioneret metoder til at nedbryde nogle trækomponenter, cellulose og hemicellulose, til brugbare produkter. De sigter mod at lave vedvarende produkter, der er bedre for miljøet, med uovertruffen præstation. Imidlertid, sammenlignet med andre trækomponenter, lignin udgør en hårdere udfordring.

"Lignin er meget hård, en fast del af biomassen, der er sværest at nedbryde, " sagde Vlachos. "Det er svært at udvikle en katalysator og en proces til rent faktisk at knække disse molekyler."

Ved at bruge et kommercielt tilgængeligt katalysatormateriale, Vlachos og hans kolleger udviklede en mild, lavtemperaturproces, der sprænger ligninet til små, molekylære fragmenter - en proces kaldet depolymerisering.

Derefter, Epps brugte disse materialer til at syntetisere nye materialer, justering af deres egenskaber til brug i trykfølsomme klæbemidler, materialer, der klæber ved kontakt.

"Vi starter med en biopolymer, og vi ender med en anden polymer, sagde Vlachos.

"Vi kan bruge den samme adskillelse, rensning, polymerisation, og karakteriseringsmetoder til at fremstille disse materialer, som man kan bruge til at lave den aktuelle kommercielle, og petroleumsbaseret, analoger, " sagde Epps. "Men vi kan få bedre ejendomme, og vi kan bruge en meget grønnere kilde."

Ved hjælp af mekaniske tests til at bestemme vedhæftning og klæbrighed, fandt forskerne ud af, at deres tape fungerede på niveau med Fisherbrand-mærketape og Scotch Magic Tape.

"Vi forventede, at det ville være konkurrencedygtigt, fordi vi vidste, at hvis vi kunne danne veldefinerede polymerer, vi kunne konstruere dem til at have lignende ydeevne, " sagde Epps. "Det, som vi fandt en smule overraskende og interessant, er, at vores materialer gav lignende ydeevne som Scotch tape og Fisherbrand tape uden nogen yderligere formulering eller andre tilsætningsstoffer, der typisk bruges i kommercielle materialer for at forbedre deres ydeevne."

Mange bånd har tilføjet klæbemidler, stoffer, der øger vedhæftningen, men som også kan nedsætte materialernes levetid.

Fra laboratoriet til dit hjem

Forskerholdet brugte lignin fra poppeltræ, men de planlægger at udforske potentialet i andre skove og andre planter med højt ligninindhold, såsom skiftegræs.

"Lad os sige, at vi skifter til et birketræ, egetræ eller fyrretræ, kan vi lave de samme designermaterialer, men med lidt andre egenskaber?" sagde Epps. Måske kunne materialerne omvendt konstrueres til at have forskellige niveauer af klæbrighed, giver produkter fra gaffatape til elektrisk tape til malertape til bandager til sticky notes og mere.

"Hvis jeg har brug for noget, der er lidt klæbrigt, Jeg bruger måske et lidt andet træ til det, " sagde Epps. "Hvis jeg vil have noget, der er mindre klistret og efterlader mindre rester, Jeg bruger måske et andet træ. Der er mange muligheder for at bruge biodiversitet til at finjustere slutproduktet."

Applikationerne kan også strække sig ud over bånd til at omfatte ting som gummibånd, o-ringe, pakninger og tætninger, eller endda bildæk.

Teamet har også til formål at udvikle deres processer yderligere, så de kan nedbryde mere af ligninet og optimere deres processer. De planlægger at lave yderligere test for at karakterisere egenskaberne af deres nye materialer.

Vlachos ser her et enormt økonomisk potentiale.

"Dette kunne forynge papirindustrien, fordi virksomheder en dag kunne sælge ligninet til klæbemiddelproducenter, sagde han. Eller, de kunne lave den første behandlingsrunde på stedet og derefter sælge molekylerne til andre virksomheder."

Forskerholdet har ansøgt om et foreløbigt patent på dette arbejde.

Samarbejde, når det er bedst

Denne forskning eksemplificerer styrken af ​​samarbejde mellem UD-ingeniører.

"Det omfatter alt fra katalysatordesign til strømlinede separationer til syntese og karakterisering af højtydende materialer, " sagde Epps. "Det dækker spektret af, hvad en kemiingeniør gør."