Ett billigt biomaterial som kan användas för att hållbart ersätta plastbarriärbeläggningar i förpackningar och många andra applikationer har utvecklats av forskare från Penn State, som förutspår dess antagande skulle kraftigt minska föroreningar.

Helt komposterbar, materialet - ett polysackarid -polyelektrolytkomplex - består av nästan lika delar behandlad cellulosamassa från trä eller bomull, och kitosan, som härrör från kitin - den primära ingrediensen i exoskeletonerna hos leddjur och kräftdjur. Den främsta källan till kitin är bergen av kvarvarande skal från hummer, krabbor och räkor som konsumeras av människor.

Dessa miljövänliga barriärbeläggningar har många tillämpningar, allt från vattenbeständigt papper, till beläggningar för takplattor och väggskivor, till livsmedelsbeläggningar för att försegla färskheten, enligt huvudforskaren Jeffrey Catchmark, professor i jordbruks- och biologisk teknik, College of Agricultural Sciences.

"Materialet är oväntat starkt, olösliga vidhäftningsegenskaper är användbara för förpackningar såväl som för andra applikationer, som bättre prestanda, helt naturliga träfiberkompositer för konstruktion och till och med golv, "sa han." Och tekniken har potential att införlivas i livsmedel för att minska fettupptagningen under stekning och bibehålla skarpheten. Eftersom beläggningen i huvudsak är fiberbaserad, det är ett sätt att tillsätta fiber till dieter. "

Den otroligt robusta och hållbara bindningen mellan karboximetylcellulosa och kitosan är nyckeln, han förklarade. De två mycket billiga polysackariderna - som redan används i livsmedelsindustrin och i andra industrisektorer - har olika molekylära laddningar och låser ihop i ett komplex som utgör grunden för ogenomträngliga filmer, beläggningar, lim och mer.

Den potentiella minskningen av föroreningar är enorm om dessa barriärbeläggningar ersätter miljontals ton oljebaserad plast i samband med livsmedelsförpackningar som används varje år i USA-och mycket mer globalt, Catchmark noterat.

Han påpekade att den globala produktionen av plast närmar sig 300 miljoner ton per år. Under det senaste året har mer än 29 miljoner ton plast blev kommunalt fast avfall i USA och nästan hälften var plastförpackningar. Det förväntas att 10 procent av all plast som produceras globalt kommer att bli havsrester, representerar ett betydande hot om ekologi och människors hälsa.

Polysackarid -polyelektrolytkomplexbeläggningarna fungerade bra i forskning, vars resultat publicerades nyligen i Grön kemi . Kartong belagd med biomaterial, bestående av nanostrukturerade fibrösa partiklar av karboximetylcellulosa och kitosan, uppvisade starka olje- och vattenbarriäregenskaper. Beläggningen motstod också toluen, heptan- och saltlösningar och uppvisade förbättrade egenskaper för våt och torr mekanisk och vattenånga barriär.

"Dessa resultat visar att polysackaridpolyelektrolytkomplexbaserade material kan vara konkurrenskraftiga barriäralternativ till syntetiska polymerer för många kommersiella tillämpningar, "sa Catchmark, WHO, i samspel med Penn State, har ansökt om patent på beläggningarna.

"Dessutom, detta arbete visar att nya, oväntade egenskaper framträder från flerpolysackaridsystem som arbetar med elektrostatisk komplexitet, möjliggör nya högpresterande applikationer. "

Catchmark började experimentera med biomaterial som kan användas istället för plast för ett tiotal år sedan av oro för hållbarhet. Han blev intresserad av cellulosa, huvudkomponenten i trä, eftersom det är den största volymen hållbar, förnybart material på jorden. Catchmark studerade dess nanostruktur - hur den monteras på nanoskala.

Han trodde att han kunde utveckla naturmaterial som är mer robusta och förbättra deras egenskaper, så att de kan konkurrera med syntetiska material som inte är hållbara och genererar föroreningar-till exempel lågdensitetspolyetenlaminat applicerat på pappskartong, Frigolit och massiv plast som används i koppar och flaskor.

"Utmaningen är, för att göra det måste du kunna göra det på ett sätt som är tillverkbart, och det måste vara billigare än plast, "Catchmark förklaras." För när du gör en förändring till något som är grönare eller hållbart, du måste verkligen betala för växeln. Så det måste vara billigare för att företag faktiskt ska vinna något på det. Detta skapar ett problem för hållbara material - en tröghet som måste övervinnas med en lägre kostnad. "

Finansierat av ett forskningsansökningar för innovationsbidrag från College of Agricultural Sciences, Catchmark arbetar för närvarande med att utveckla kommersialiseringspartners inom olika industrisektorer för en mängd olika produkter.

"Vi försöker ta det sista steget nu och få verklig inverkan på världen, och få industrimänniskor att sluta använda plast och istället använda dessa naturmaterial, "sa han." Så de (konsumenterna) har ett val - efter att biomaterialen har använts, de kan återvinnas, begravd i marken eller komposterad, och de kommer att sönderfalla. Eller så kan de fortsätta använda plast som kommer att hamna i haven, där de kommer att bestå i tusentals år. "

Också involverade i forskningen var Snehasish Basu, postdoktor, och Adam Plucinski, magisterexamen, nu instruktör för teknik vid Penn State Altoona. Personal i Penn State Material Research Institute gav hjälp med projektet.