Un biomateriale economico che può essere utilizzato per sostituire in modo sostenibile i rivestimenti barriera in plastica negli imballaggi e in molte altre applicazioni è stato sviluppato dai ricercatori della Penn State, che prevedono la sua adozione ridurrebbe notevolmente l'inquinamento.

Completamente compostabile, il materiale, un complesso di polisaccaride polielettrolita, è composto da parti quasi uguali di polpa di cellulosa trattata da legno o cotone, e chitosano, che deriva dalla chitina, l'ingrediente principale negli esoscheletri di artropodi e crostacei. La principale fonte di chitina sono le montagne di gusci avanzati dalle aragoste, granchi e gamberetti consumati dall'uomo.

Questi rivestimenti barriera ecologici hanno numerose applicazioni che vanno dalla carta resistente all'acqua, ai rivestimenti per controsoffitti e pannelli di rivestimento, alle coperture alimentari per sigillare la freschezza, secondo il ricercatore capo Jeffrey Catchmark, professore di ingegneria agraria e biologica, Facoltà di Scienze Agrarie.

"Il materiale è inaspettatamente forte, le proprietà adesive insolubili sono utili per l'imballaggio e per altre applicazioni, come prestazioni migliori, compositi in fibra di legno completamente naturali per la costruzione e persino la pavimentazione, " ha detto. "E la tecnologia ha il potenziale per essere incorporata negli alimenti per ridurre l'assorbimento di grassi durante la frittura e mantenere la croccantezza. Poiché il rivestimento è essenzialmente a base di fibre, è un mezzo per aggiungere fibre alle diete".

Il legame incredibilmente robusto e duraturo tra carbossimetilcellulosa e chitosano è la chiave, Lui ha spiegato. I due polisaccaridi molto economici, già utilizzati nell'industria alimentare e in altri settori industriali, hanno cariche molecolari diverse e si legano tra loro in un complesso che costituisce la base per film impermeabili, rivestimenti, adesivi e altro.

La potenziale riduzione dell'inquinamento è immensa se questi rivestimenti barriera sostituiscono milioni di tonnellate di plastica a base di petrolio associata agli imballaggi alimentari utilizzati ogni anno negli Stati Uniti e molto di più a livello globale, Nota di cattura.

Ha sottolineato che la produzione globale di plastica si avvicina a 300 milioni di tonnellate all'anno. In un anno recente, più di 29 milioni di tonnellate di plastica sono diventate rifiuti solidi urbani negli Stati Uniti e quasi la metà erano imballaggi di plastica. Si prevede che il 10% di tutta la plastica prodotta a livello globale diventerà detriti oceanici, rappresentano una significativa minaccia ecologica e per la salute umana.

I rivestimenti complessi polisaccaridi polielettrolitici si sono comportati bene nella ricerca, i cui risultati sono stati pubblicati di recente in chimica verde . Cartone rivestito con il biomateriale, composto da particelle fibrose nanostrutturate di carbossimetilcellulosa e chitosano, mostrato forti proprietà di barriera all'olio e all'acqua. Il rivestimento ha anche resistito al toluene, eptano e soluzioni saline e hanno mostrato migliori proprietà meccaniche a umido e a secco e di barriera al vapore acqueo.

"Questi risultati mostrano che i materiali a base di polisaccaridi polielettroliti complessi possono essere alternative di barriera competitive ai polimeri sintetici per molte applicazioni commerciali, " ha detto Catchmark, chi, di concerto con Penn State, ha richiesto un brevetto sui rivestimenti.

"Inoltre, questo lavoro dimostra che nuovi, proprietà inaspettate emergono da sistemi multi-polisaccaridi impegnati nella complessazione elettrostatica, consentendo nuove applicazioni ad alte prestazioni."

Catchmark ha iniziato a sperimentare biomateriali che potrebbero essere utilizzati al posto della plastica una decina di anni fa per motivi di sostenibilità. Si interessò alla cellulosa, il componente principale in legno, perché è il più grande volume sostenibile, materiale rinnovabile sulla terra. Catchmark ha studiato la sua nanostruttura, come viene assemblata su scala nanometrica.

Credeva di poter sviluppare materiali naturali più robusti e migliorarne le proprietà, in modo che possano competere con materiali sintetici che non sono sostenibili e generano inquinamento, come il laminato di polietilene a bassa densità applicato al cartone, Polistirolo e plastica solida utilizzati in tazze e bottiglie.

"La sfida è per farlo devi essere in grado di farlo in un modo che sia fabbricabile, e deve essere meno costoso della plastica, " Ha spiegato Catchmark. "Perché quando si apporta una modifica a qualcosa che è più verde o sostenibile, devi davvero pagare per il passaggio. Quindi deve essere meno costoso affinché le aziende possano effettivamente ottenere qualcosa da esso. Questo crea un problema per i materiali sostenibili, un'inerzia che deve essere superata con un costo inferiore".

Finanziato da una borsa di studio per applicazioni di ricerca per l'innovazione del College of Agricultural Sciences, Catchmark sta attualmente lavorando per sviluppare partner di commercializzazione in diversi settori industriali per un'ampia varietà di prodotti.

"Stiamo cercando di fare l'ultimo passo ora e avere un impatto reale sul mondo, e far sì che gli operatori del settore smettano di usare la plastica e utilizzino invece questi materiali naturali, " ha detto. "Quindi loro (i consumatori) hanno una scelta:dopo che i biomateriali sono stati utilizzati, possono essere riciclati, interrati o compostati, e si decomporranno. Oppure possono continuare a usare la plastica che finirà negli oceani, dove dureranno per migliaia di anni."

Nella ricerca sono stati coinvolti anche Snehasish Basu, borsista post-dottorato, e Adam Plucinski, studente di laurea magistrale, ora istruttore di ingegneria alla Penn State Altoona. Il personale del Material Research Institute di Penn State ha fornito assistenza al progetto.