Forscher der Colorado State University und ihre Partner haben ein Klebstoffpolymer entwickelt, das stärker als derzeit im Handel erhältliche Optionen ist und gleichzeitig biologisch abbaubar und wiederverwendbar ist. Die Ergebnisse – beschrieben in Wissenschaft – zeigen, wie das häufig vorkommende, natürlich vorkommende Polymer P3HB chemisch umgestaltet werden kann, um es als starkes und dennoch nachhaltiges Bindemittel zu verwenden.
Klebstoffe werden unter anderem in der Automobil-, Verpackungs-, Elektronik-, Solarzellen- und Baubranche häufig eingesetzt. Zusammen bilden sie eine rund 50-Milliarden-Dollar-Industrie, die einen Großteil unseres modernen Lebens unterstützt, aber auch zum wachsenden Problem des Plastikmülls beiträgt. Das Papier beschreibt die Arbeit des Teams mithilfe von Experimenten, Simulationen und Prozessmodellen zur Entwicklung eines Ersatzpolymers.
Das Projekt wurde vom angesehenen Universitätsprofessor Eugene Chen im Fachbereich Chemie geleitet. Weitere Partner des Papiers sind Gregg Beckham vom National Renewable Energy Laboratory und Professor Ting Xu von der University of California, Berkley sowie Forscher ihrer Gruppen.
Chen sagte, dass Poly(3-hydroxybutyrat) oder P3HB ein natürliches, biobasiertes und biologisch abbaubares Polymer sei, das von Mikroben unter den richtigen biologischen Bedingungen produziert werden könne. Während das Polymer auf diese Weise nicht klebend ist, konnte sein Labor seine Struktur chemisch umgestalten, um nun bei der Verwendung auf verschiedenen Substraten oder Oberflächen wie Aluminium, Glas und Holz eine stärkere Haftung als die herkömmlichen, aus Erdöl gewonnenen, nicht biologisch abbaubaren Optionen zu erzielen . Die Haftfestigkeit des überarbeiteten P3HB kann auch an unterschiedliche Anwendungsanforderungen angepasst werden.
Die Ergebnisse sind Teil eines größeren Ziels von Chens Gruppe, unsere Fähigkeit zur Bewältigung der globalen Plastikverschmutzungskrise zu verbessern und zu erweitern. Sein Team ist an zahlreichen Bemühungen beteiligt, chemisch recycelbare, biologisch abbaubare und insgesamt nachhaltigere Alternativen zu den heutigen Kunststoffmaterialien zu entwickeln. Er sagte, dass viele Menschen zwar von Natur aus die Lebenszyklusprobleme erkennen, die eine Einweg-Wasserflasche mit sich bringt, dass Klebstoffe jedoch beängstigendere Probleme mit weniger potenziellen Lösungen darstellen.
„Duroplastische Klebstoffe auf Erdölbasis wie Gorilla Glue und JB Weld sowie thermoplastische Schmelzklebstoffe können sehr schwierig oder sogar unmöglich zu recyceln oder zurückzugewinnen sein – vor allem aufgrund ihrer starken Bindung an andere Materialien“, sagte er. „Unser Ansatz bietet stattdessen ein biologisch abbaubares Material, das in einer Vielzahl von Branchen mit einstellbarer oder sogar höherer Festigkeit im Vergleich zu diesen Optionen eingesetzt werden kann.“
Ethan Quinn ist Ph.D. Student an der CSU und fungierte zusammen mit dem Postdoktoranden Zhen Zhang als Co-Hauptautor der Arbeit. Quinn sagte, er und Zhang hätten die Arbeit rund um die Erstellung und Prüfung des Materials geleitet.
„Wir haben einen P3HB-Klebestift als Muster entwickelt und konnten ihn mit einer handelsüblichen Klebepistole verwenden, um seine Anwendung beim Verschließen von Kartons und andere Eigenschaften auf Stahlplatten zu testen“, sagte Quinn. „Ich wusste, dass die Daten dafür sprechen, dass es stärker ist als andere Optionen, aber ich war schockiert, dass wir zeigen konnten, dass es typische Hotmelt-Optionen bei weitem übertrifft – es hält bis zu 20 Pfund an Ort und Stelle im Vergleich zu den 15 Pfund, die es bei den bestehenden gibt.“ Klebstoff kam nicht zurecht.“
Chen sagte, P3HB sei in verschiedenen Fällen biologisch abbaubar, einschließlich verwalteter und nicht verwalteter Umgebungen. Das bedeutet, dass es auf Mülldeponien auf natürliche Weise biologisch abbaubar ist, beispielsweise genauso gut wie salziges Meerwasser oder Böden. Das erweitert die Möglichkeiten, mit dem Material am Ende seines Lebenszyklus umzugehen. Auch der P3HB-Klebstoff kann zurückgewonnen, wiederaufbereitet und wiederverwendet werden.
Das CSU-Team wird nun mit der Arbeit an Möglichkeiten zur Kommerzialisierung des Polymers für eine breite Anwendung beginnen.
„Wir arbeiten an zwei verschiedenen Ansätzen, die auf eine Massenproduktion abzielen, einschließlich Möglichkeiten zur Senkung der Gesamtkosten und der Umweltauswirkungen“, sagte Chen. „Die vom NREL-Team durchgeführte Analyse hat Schlüsselbereiche identifiziert, in denen wir Verbesserungen vornehmen können, und wir werden weiterhin mit dem BOTTLE-Konsortium an diesen Skalierungsbemühungen zusammenarbeiten.“
