Een goedkoop biomateriaal dat kan worden gebruikt om plastic barrièrecoatings in verpakkingen en vele andere toepassingen duurzaam te vervangen, is ontwikkeld door onderzoekers van Penn State, die voorspellen dat de goedkeuring ervan de vervuiling aanzienlijk zou verminderen.

Volledig composteerbaar, het materiaal - een polysacharide-polyelektrolytcomplex - bestaat uit bijna gelijke delen behandelde cellulosepulp van hout of katoen, en chitosan, dat is afgeleid van chitine - het primaire ingrediënt in de exoskeletten van geleedpotigen en schaaldieren. De belangrijkste bron van chitine zijn de bergen overgebleven schelpen van kreeften, krabben en garnalen die door mensen worden geconsumeerd.

Deze milieuvriendelijke barrièrecoatings hebben tal van toepassingen, variërend van waterbestendig papier, tot coatings voor plafondtegels en wandplaten, tot voedselcoatings om de versheid te verzegelen, volgens hoofdonderzoeker Jeffrey Catchmark, hoogleraar landbouw- en biologische techniek, College voor Landbouwwetenschappen.

"Het materiaal is onverwacht sterk, onoplosbare kleefeigenschappen zijn nuttig voor zowel verpakkingen als andere toepassingen, zoals beter presteren, volledig natuurlijke houtvezelcomposieten voor constructie en zelfs vloeren, " zei hij. "En de technologie heeft het potentieel om in voedsel te worden opgenomen om de vetopname tijdens het frituren te verminderen en de knapperigheid te behouden. Omdat de coating in wezen op vezels is gebaseerd, het is een manier om vezels aan diëten toe te voegen."

De verbazingwekkend stevige en duurzame binding tussen carboxymethylcellulose en chitosan is de sleutel, hij legde uit. De twee zeer goedkope polysachariden - die al in de voedingsindustrie en in andere industriële sectoren worden gebruikt - hebben verschillende moleculaire ladingen en sluiten aan elkaar in een complex dat de basis vormt voor ondoordringbare films, coatings, lijmen en meer.

De potentiële vermindering van de vervuiling is enorm als deze barrièrecoatings miljoenen tonnen plastic op aardoliebasis vervangen die worden gebruikt in voedselverpakkingen die elk jaar in de Verenigde Staten worden gebruikt - en nog veel meer wereldwijd, Catchmark opgemerkt.

Hij wees erop dat de wereldwijde productie van plastic de 300 miljoen ton per jaar nadert. In een recent jaar, meer dan 29 miljoen ton plastic werd huishoudelijk afval in de VS en bijna de helft was plastic verpakking. Naar verwachting zal 10 procent van al het wereldwijd geproduceerde plastic oceaanafval worden, die een aanzienlijke bedreiging vormen voor het milieu en de menselijke gezondheid.

De coatings van het polysacharide-polyelektrolytcomplex presteerden goed in onderzoek, waarvan de bevindingen onlangs zijn gepubliceerd in Groene chemie . Karton bekleed met het biomateriaal, bestaande uit nanogestructureerde vezelachtige deeltjes van carboxymethylcellulose en chitosan, vertoonde sterke olie- en waterbarrière-eigenschappen. De coating was ook bestand tegen tolueen, heptaan- en zoutoplossingen en vertoonden verbeterde natte en droge mechanische en waterdampbarrière-eigenschappen.

"Deze resultaten tonen aan dat materialen op basis van polysacharide-polyelektrolytcomplexen voor veel commerciële toepassingen concurrerende barrière-alternatieven kunnen zijn voor synthetische polymeren, " zei Catchmark, WHO, in overleg met Penn State, patent heeft aangevraagd op de coatings.

"In aanvulling, dit werk toont aan dat nieuwe, onverwachte eigenschappen komen voort uit multi-polysaccharidesystemen die betrokken zijn bij elektrostatische complexering, nieuwe krachtige toepassingen mogelijk te maken."

Catchmark begon ongeveer tien jaar geleden te experimenteren met biomaterialen die in plaats van plastic zouden kunnen worden gebruikt, uit bezorgdheid over duurzaamheid. Hij raakte geïnteresseerd in cellulose, het hoofdbestanddeel van hout, omdat het het grootste duurzame volume is, hernieuwbaar materiaal op aarde. Catchmark bestudeerde de nanostructuur - hoe deze op nanoschaal wordt geassembleerd.

Hij geloofde dat hij natuurlijke materialen kon ontwikkelen die robuuster zijn en hun eigenschappen verbeteren, zodat ze kunnen concurreren met synthetische materialen die niet duurzaam zijn en vervuiling veroorzaken, zoals het polyethyleenlaminaat met lage dichtheid dat op karton wordt aangebracht, Styrofoam en stevig plastic gebruikt in kopjes en flessen.

"De uitdaging is om dat te doen, moet je het kunnen doen op een manier die maakbaar is, en het moet goedkoper zijn dan plastic, Catchmark legde uit. "Want als je iets verandert dat groener of duurzamer is, je moet echt betalen voor de overstap. Het moet dus goedkoper zijn, willen bedrijven er ook echt iets aan hebben. Dit creëert een probleem voor duurzame materialen - een traagheid die moet worden overwonnen met lagere kosten."

Gefinancierd door een subsidie ​​voor onderzoeksaanvragen voor innovatie van het College of Agricultural Sciences, Catchmark werkt momenteel aan het ontwikkelen van commercialiseringspartners in verschillende industriële sectoren voor een breed scala aan producten.

"We proberen nu de laatste stap te zetten en een echte impact op de wereld te maken, en ervoor zorgen dat mensen uit de industrie stoppen met het gebruik van plastic en in plaats daarvan deze natuurlijke materialen gebruiken, "zei hij. "Dus zij (consumenten) hebben een keuze - nadat de biomaterialen zijn gebruikt, ze kunnen worden gerecycled, begraven in de grond of gecomposteerd, en ze zullen ontbinden. Of ze kunnen plastic blijven gebruiken dat in de oceanen terechtkomt, waar ze duizenden jaren zullen blijven bestaan."

Ook betrokken bij het onderzoek waren Snehasish Basu, postdoctoraal wetenschapper, en Adam Plucinski, masterstudent, nu instructeur van techniek bij Penn State Altoona. Medewerkers van het materiaalonderzoeksinstituut van Penn State hielpen bij het project.