Oavsett om du slår in en gåva eller förband ett sår, du förlitar dig på ett lim för att få jobbet gjort.

Dessa klibbiga ämnen är ofta gjorda av petroleumbaserade material, men tänk om det fanns ett mer hållbart sätt att göra dem? Nu, ett team av ingenjörer vid University of Delaware har utvecklat en ny process för att göra tejp av en huvudkomponent i träd och växter som kallas lignin - ett ämne som papperstillverkare vanligtvis slänger. Vad mer, deras uppfinning fungerar lika bra som minst två kommersiellt tillgängliga produkter.

Forskarna beskrev nyligen sina resultat i ACS Central Science , och de arbetar på fler sätt att förnya skrot och växter till "designmaterial" för konsumentbruk.

Klibbig vetenskap

Lignin är en förnybar resurs, ett ämne i träd som hjälper till att göra dem starka. Men du behöver inte fälla träd för att få det, för det ligger mycket. När massa- och papperstillverkare bearbetar trä, ligninet lämnas kvar och kastas vanligtvis på deponier eller bränns för värme. Vissa företag är till och med villiga att leverera en gratis tippbil full av saker eftersom det är billigare än att slänga den på en deponi. En billig, rikligt och hållbart material, lignin är en utmärkt möjlighet för några vetenskapligt avancerade upcycling.

Lignin är också en naturlig polymer, ett material tillverkat av mycket stora molekyler som består av mindre underenheter som kallas monomerer. Lignin delar vissa struktur- och materialegenskaper med petroleumderiverade polymerer, såsom polystyren och polymetylmetakrylat, som vanligtvis används i lim och andra konsumentprodukter, från förpackningsmaterial till koppar.

"En av tankarna som vi alltid har haft är:Kan vi ta lignin och göra användbara produkter, och i detta fall, användbara polymerer ur det? "sa Thomas H. Epps, III, Thomas och Kipp Gutshall professor i kemisk och biomolekylär teknik, Professor i materialvetenskap och teknik vid UD, och motsvarande författare till det nya papperet. Särskilt, Epps misstänkte att lignin kunde användas för att tillverka lim med liknande styrka, seghet, och reptålighet mot de petroleumbaserade versionerna.

Silvertejp, gult universal- och pappersband för målare.

Innan ligninet kunde omvandlas till en produkt, den delades upp av forskare vid Catalysis Center for Energy Innovation (CCEI), ett multinstitutionellt forskningscenter vid UD som inrättats med bidrag från U.S. Department of Energy.

Dionisios Vlachos, direktör för CCEI och Delaware Energy Institute, är en internationell expert på katalys, processer som påskyndar kemiska reaktioner. I nästan ett decennium, Vlachos och hans team har perfektionerade metoder för att bryta ner några träkomponenter, cellulosa och hemicellulosa, till användbara produkter. De syftar till att göra förnybara produkter som är bättre för miljön, med oöverträffad prestanda. Dock, jämfört med andra träkomponenter, lignin är en tuffare utmaning.

"Lignin är väldigt svårt, en fast del av biomassan som är svårast att bryta ner, "sa Vlachos." Att utveckla en katalysator och en process för att faktiskt spricka dessa molekyler är svårt. "

Med hjälp av ett kommersiellt tillgängligt katalysatormaterial, Vlachos och hans kollegor utvecklade en mild, lågtemperaturprocess som bryter ligninet i små, molekylfragment - en process som kallas depolymerisering.

Sedan, Epps använde dessa material för att syntetisera nya material, justera deras egenskaper för användning i tryckkänsliga lim, material som fastnar vid kontakt.

"Vi börjar med en biopolymer, och vi slutar med en annan polymer, sa Vlachos.

"Vi kan använda samma separation, rening, polymerisation, och karakteriseringsmetoder för att göra dessa material som man kan använda för att göra det nuvarande kommersiella, och petroleumbaserade, analoger, "sa Epps." Men vi kan få bättre fastigheter, och vi kan använda en mycket grönare källa. "

Använda mekaniska tester för att bestämma vidhäftning och klibbighet, forskarna fann att deras tejp utfördes i nivå med Fisherbrands märkningstejp och Scotch Magic Tape.

"Vi förväntade oss att det skulle vara konkurrenskraftigt eftersom vi visste att om vi kunde bilda väldefinierade polymerer, vi kan konstruera dem för att ha liknande prestanda, "sa Epps." Det som vi tyckte var lite överraskande och intressant är att våra material gav liknande prestanda som Scotch tape och Fisherbrand -tejp utan någon ytterligare formulering eller andra tillsatser som vanligtvis används i kommersiella material för att förbättra deras prestanda. "

Många band har lagt till klibbmedel, ämnen som ökar vidhäftningen men också kan minska livslängden på material.

Från labbet till ditt hem

Forskargruppen använde lignin från poppelträ, men de planerar att utforska potentialen hos andra skogar och andra växter med hög ligninhalt, som switchgrass.

"Låt oss säga att vi byter till ett björkträd, ek eller tall, kan vi göra samma designmaterial, men med lite olika egenskaper? "sa Epps. Kanske skulle materialen kunna omvandlas till olika klibbighet, ger produkter från gaffatejp till eltejp till målartejp till bandage till klisterlappar med mera.

"Om jag behöver något som är lite klibbigt, Jag kanske använder ett lite annat träd för det, "sa Epps." Om jag vill ha något som är mindre klibbigt och lämnar mindre rester, Jag kanske använder ett annat träd. Det finns många möjligheter att använda biologisk mångfald för att finjustera slutprodukten. "

Applikationerna kan också sträcka sig bortom band för att inkludera saker som gummiband, o-ringar, packningar och tätningar, eller till och med bildäck.

Teamet har också som mål att utveckla sina processer ytterligare så att de kan bryta ner mer av ligninet och optimera sina processer. De planerar att göra ytterligare tester för att karakterisera egenskaperna hos deras nya material.

Vlachos ser en enorm ekonomisk potential här.

"Detta kan föryngra pappersindustrin eftersom företag en dag kan sälja ligninet till limtillverkare, "sa han." Eller de kunde göra den första behandlingsomgången på plats och sedan sälja molekylerna till andra företag. "

Forskargruppen har ansökt om ett provisoriskt patent på detta arbete.

Samarbete när det är som bäst

Denna forskning exemplifierar kraften i samarbete mellan UD -ingenjörer.

"Den innehåller allt från katalysatordesign till strömlinjeformade separationer till syntes och karakterisering av högpresterande material, "sa Epps." Det täcker spektrumet av vad en kemisk ingenjör gör. "