Che tu stia incartando un regalo o fasciando una ferita, ti affidi a un adesivo per portare a termine il lavoro.

Queste sostanze appiccicose sono spesso costituite da materiali derivati ​​dal petrolio, ma se ci fosse un modo più sostenibile per realizzarli? Ora, un team di ingegneri dell'Università del Delaware ha sviluppato un nuovo processo per ricavare del nastro adesivo da un componente importante di alberi e piante chiamato lignina, una sostanza che i produttori di carta in genere buttano via. Cosa c'è di più, la loro invenzione si comporta altrettanto bene di almeno due prodotti disponibili in commercio.

I ricercatori hanno recentemente descritto i loro risultati in Scienze Centrali ACS , e stanno lavorando a più modi per riciclare il legno di scarto e le piante in "materiali di design" per l'uso da parte dei consumatori.

Scienza appiccicosa

La lignina è una risorsa rinnovabile, una sostanza negli alberi che aiuta a renderli forti. Ma non devi abbattere alberi per ottenerlo, perché c'è molto in giro. Quando i produttori di pasta di legno e carta lavorano il legno, la lignina viene lasciata indietro e solitamente scartata nelle discariche o bruciata per il calore. Alcune aziende sono persino disposte a consegnare un dumper gratuito pieno di roba perché è più economico che smaltirlo in una discarica. Un economico, materiale abbondante e sostenibile, la lignina rappresenta un'ottima opportunità per un upcycling scientificamente avanzato.

La lignina è anche un polimero naturale, un materiale costituito da molecole molto grandi composte da subunità più piccole chiamate monomeri. La lignina condivide alcune somiglianze di proprietà strutturali e materiali con polimeri derivati ​​dal petrolio, come polistirene e polimetilmetacrilato, che sono comunemente usati negli adesivi e in altri prodotti di consumo, dai materiali di imballaggio alle tazze.

"Uno dei pensieri che abbiamo sempre avuto è:possiamo prendere la lignina e creare prodotti utili, e in questo caso, polimeri utili fuori di esso?" ha detto Thomas H. Epps, III, il professore di ingegneria chimica e biomolecolare Thomas e Kipp Gutshall, Professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso UD, e il corrispondente autore del nuovo articolo. In particolare, Epps sospettava che la lignina potesse essere usata per produrre adesivi con forza simile, durezza, e resistenza ai graffi alle versioni a base di petrolio.

nastro adesivo, nastro giallo multiuso e di carta per pittore.

Prima che la lignina potesse essere trasformata in un prodotto, è stato analizzato dai ricercatori del Centro di catalisi per l'innovazione energetica (CCEI), un centro di ricerca multi-istituzionale presso UD istituito da una sovvenzione del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

Dionisios Vlachos, direttore del CCEI e del Delaware Energy Institute, è un esperto internazionale di catalisi, processi che accelerano le reazioni chimiche. Per quasi un decennio, Vlachos e il suo team hanno perfezionato metodi per abbattere alcuni componenti in legno, cellulosa ed emicellulosa, in prodotti utili. Mirano a realizzare prodotti rinnovabili che siano migliori per l'ambiente, con prestazioni ineguagliabili. Però, rispetto ad altri componenti in legno, la lignina rappresenta una sfida più difficile.

"La lignina è molto dura, una parte solida della biomassa che è la più difficile da scomporre, " ha detto Vlachos. "Sviluppare un catalizzatore e un processo per rompere effettivamente queste molecole è difficile."

Utilizzando un materiale catalizzatore disponibile in commercio, Vlachos e i suoi colleghi hanno sviluppato un lieve, processo a bassa temperatura che rompe la lignina in piccoli, frammenti molecolari, un processo chiamato depolimerizzazione.

Quindi, Epps ha usato quei materiali per sintetizzare nuovi materiali, regolando le loro proprietà per l'uso in adesivi sensibili alla pressione, materiali che si attaccano al contatto.

"Partiamo da un biopolimero, e finiamo con un altro polimero, " disse Vlachos.

"Possiamo usare la stessa separazione, purificazione, polimerizzazione, e metodi di caratterizzazione per realizzare questi materiali come si possono utilizzare per realizzare l'attuale commerciale, e a base di petrolio, analoghi, " disse Epps. "Ma possiamo ottenere proprietà migliori, e possiamo usare una fonte molto più verde."

Utilizzando test meccanici per determinare l'adesione e l'appiccicosità, i ricercatori hanno scoperto che il loro nastro ha funzionato alla pari con il nastro per etichette Fisherbrand e lo Scotch Magic Tape.

"Ci aspettavamo che fosse competitivo perché sapevamo che se potessimo formare polimeri ben definiti, potremmo ingegnerizzarli per avere prestazioni simili, " ha detto Epps. "La cosa che abbiamo trovato un po' sorprendente e interessante è che i nostri materiali hanno dato prestazioni simili al nastro Scotch e al nastro Fisherbrand senza alcuna formulazione aggiuntiva o altri additivi che vengono generalmente utilizzati nei materiali commerciali per migliorare le loro prestazioni".

Molti nastri hanno aggiunto adesivi, sostanze che aumentano l'adesione ma possono anche ridurre la durata dei materiali.

Dal laboratorio a casa tua

Il team di ricerca ha utilizzato la lignina proveniente dal legno di pioppo, ma hanno in programma di esplorare il potenziale di altri legni e altre piante ad alto contenuto di lignina, come switchgrass.

"Diciamo che ci trasformiamo in una betulla, quercia o pino, possiamo realizzare questi stessi materiali di design, ma con proprietà leggermente diverse?" ha detto Epps. Forse i materiali potrebbero essere retroingegnerizzati per avere diversi livelli di viscosità, producendo prodotti dal nastro adesivo al nastro isolante, al nastro per imbianchini, alle bende, agli appunti e altro ancora.

"Se ho bisogno di qualcosa di un po' di cattivo gusto, Potrei usare un albero leggermente diverso per quello, " disse Epps. "Se voglio qualcosa che sia meno appiccicoso e lasci meno residui, Potrei usare un albero diverso. Ci sono molte opportunità di utilizzare la biodiversità per mettere a punto il prodotto finale".

Le applicazioni potrebbero anche estendersi oltre i nastri per includere cose come elastici, o-ring, guarnizioni e guarnizioni, o anche pneumatici per auto.

Il team mira inoltre a sviluppare ulteriormente i propri processi in modo da poter abbattere più lignina e ottimizzare i propri processi. Hanno in programma di eseguire ulteriori test per caratterizzare le proprietà dei loro nuovi materiali.

Vlachos vede qui un enorme potenziale economico.

"Questo potrebbe ringiovanire l'industria della carta perché le aziende potrebbero un giorno vendere la lignina ai produttori di adesivi, " ha detto. "Oppure, potrebbero fare il primo ciclo di lavorazione in loco e poi vendere le molecole ad altre aziende".

Il team di ricerca ha depositato un brevetto provvisorio su questo lavoro.

Collaborazione al suo meglio

Questa ricerca esemplifica il potere della collaborazione tra gli ingegneri UD.

"Comprende tutto, dalla progettazione del catalizzatore alle separazioni semplificate, alla sintesi e alla caratterizzazione di materiali ad alte prestazioni, " ha detto Epps. "Copre la gamma di ciò che fa un ingegnere chimico."