Illustration représentant la transformation des arbres en ruban. Des ingénieurs de l'Université du Delaware ont mis au point un nouveau procédé pour fabriquer du ruban adhésif à partir d'un composant majeur des arbres et des plantes appelé lignine. Crédit : Université du Delaware/Joy Smoker
Que vous emballiez un cadeau ou pansiez une plaie, vous comptez sur un adhésif pour faire le travail.
Ces substances collantes sont souvent fabriquées à partir de matériaux dérivés du pétrole, mais et s'il existait un moyen plus durable de les fabriquer ? Maintenant, Une équipe d'ingénieurs de l'Université du Delaware a mis au point un nouveau procédé pour fabriquer du ruban adhésif à partir d'un composant majeur des arbres et des plantes appelé lignine, une substance que les fabricants de papier jettent généralement. Quoi de plus, leur invention fonctionne aussi bien qu'au moins deux produits disponibles dans le commerce.
Les chercheurs ont récemment décrit leurs résultats dans ACS Science centrale , et ils travaillent sur d'autres moyens de recycler les déchets de bois et de plantes en « matériaux de conception » à l'usage des consommateurs.
Science collante
La lignine est une ressource renouvelable, une substance dans les arbres qui contribue à les rendre forts. Mais vous n'avez pas besoin d'abattre des arbres pour l'obtenir, car il y en a plein qui traîne. Lorsque les fabricants de pâtes et papiers transforment le bois, la lignine est laissée sur place et généralement jetée dans des décharges ou brûlée pour chauffer. Certaines entreprises sont même prêtes à livrer gratuitement un camion à benne basculante rempli de tout le matériel, car cela coûte moins cher que de le jeter dans une décharge. Un pas cher, matière abondante et durable, la lignine présente une excellente opportunité pour certains upcycling scientifiquement avancés.
La lignine est aussi un polymère naturel, un matériau constitué de très grosses molécules composées de sous-unités plus petites appelées monomères. La lignine partage certaines similitudes de propriétés structurelles et de matériaux avec les polymères dérivés du pétrole, tels que le polystyrène et le polyméthacrylate de méthyle, qui sont couramment utilisés dans les adhésifs et autres produits de consommation, des matériaux d'emballage aux tasses.
"L'une des réflexions que nous avons toujours eues est :pouvons-nous prendre de la lignine et fabriquer des produits utiles, et dans ce cas, des polymères utiles ?", a déclaré Thomas H. Epps, III, le professeur Thomas et Kipp Gutshall de génie chimique et biomoléculaire, Professeur de Science et Génie des Matériaux à l'UD, et l'auteur correspondant du nouveau document. En particulier, Epps soupçonnait que la lignine pouvait être utilisée pour fabriquer des adhésifs de résistance similaire, dureté, et résistance aux rayures pour les versions à base de pétrole.
Ruban adhésif, ruban jaune multi-usages et papier pour peintre.
Avant que la lignine puisse être transformée en produit, il a été décomposé par des chercheurs du Catalysis Center for Energy Innovation (CCEI), un centre de recherche multi-institutionnel à l'UD établi grâce à une subvention du département américain de l'Énergie.
Dionisios Vlachos, directeur du CCEI et du Delaware Energy Institute, est un expert international en catalyse, processus qui accélèrent les réactions chimiques. Pendant près d'une décennie, Vlachos et son équipe ont mis au point des méthodes pour décomposer certains composants du bois, cellulose et hémicellulose, en produits utiles. Ils visent à fabriquer des produits renouvelables meilleurs pour l'environnement, avec des performances inégalées. Cependant, par rapport aux autres composants du bois, la lignine présente un défi plus difficile.
Professeur UD Thomas H. Epps, III, soupçonné que la lignine pourrait être utilisée pour fabriquer des adhésifs de résistance similaire, dureté, et résistance aux rayures pour les versions à base de pétrole. Ces chiffres d'expériences de diffusion de rayons X aux petits angles montrent comment un polymère créé par Epps (à gauche) se compare à un polymère commercial. Crédit :Université du Delaware
"La lignine est très dure, une partie solide de la biomasse la plus difficile à décomposer, " a déclaré Vlachos. " Développer un catalyseur et un processus pour réellement craquer ces molécules est difficile. "
En utilisant un matériau catalyseur disponible dans le commerce, Vlachos et ses collègues ont développé une légère, processus à basse température qui décompose la lignine en petits, fragments moléculaires - un processus appelé dépolymérisation.
Puis, Epps a utilisé ces matériaux pour synthétiser de nouveaux matériaux, ajuster leurs propriétés pour une utilisation dans des adhésifs sensibles à la pression, matériaux qui collent au contact.
"On part d'un biopolymère, et on se retrouve avec un autre polymère, " dit Vlachos.
"Nous pouvons utiliser la même séparation, purification, polymérisation, et des méthodes de caractérisation pour fabriquer ces matériaux comme on peut les utiliser pour faire du commercial actuel, et à base de pétrole, analogues, " a déclaré Epps. "Mais nous pouvons obtenir de meilleures propriétés, et nous pouvons utiliser une source beaucoup plus verte."
En utilisant des tests mécaniques pour déterminer l'adhérence et l'adhésivité, les chercheurs ont découvert que leur ruban fonctionnait à égalité avec le ruban d'étiquetage Fisherbrand et le Scotch Magic Tape.
"Nous nous attendions à ce qu'il soit compétitif car nous savions que si nous pouvions former des polymères bien définis, nous pourrions les concevoir pour avoir des performances similaires, " a déclaré Epps. " Ce que nous avons trouvé un peu surprenant et intéressant, c'est que nos matériaux ont donné des performances similaires au ruban Scotch et au ruban Fisherbrand sans aucune formulation supplémentaire ni aucun autre additif qui est généralement utilisé dans les matériaux commerciaux pour améliorer leurs performances. "
De nombreuses bandes ont ajouté des agents collants, substances qui augmentent l'adhérence mais peuvent également diminuer la durée de vie des matériaux.
La force adhésive du matériau est testée en laboratoire. Crédit :Université du Delaware
Du laboratoire à votre domicile
L'équipe de recherche a utilisé de la lignine provenant de bois de peuplier, mais ils envisagent d'explorer le potentiel d'autres bois et d'autres plantes à haute teneur en lignine, comme le panic raide.
"Disons que nous changeons pour un bouleau, chêne ou pin, pouvons-nous fabriquer ces mêmes matériaux de créateurs, mais avec des propriétés légèrement différentes ?", a déclaré Epps. Peut-être que les matériaux pourraient être rétro-conçus pour avoir différents niveaux d'adhérence, produisant des produits allant du ruban adhésif au ruban électrique au ruban de peintre aux bandages aux notes autocollantes et plus encore.
"Si j'ai besoin de quelque chose d'un peu ringard, Je pourrais utiliser un arbre légèrement différent pour cela, " a déclaré Epps. " Si je veux quelque chose qui est moins collant et laisse moins de résidus, Je pourrais utiliser un autre arbre. Il y a beaucoup d'opportunités d'utiliser la biodiversité pour affiner le produit final."
Les applications pourraient également s'étendre au-delà des bandes pour inclure des éléments tels que des élastiques, joints toriques, joints et joints, ou même des pneus de voiture.
L'équipe vise également à développer davantage leurs processus afin qu'ils puissent décomposer davantage de lignine et optimiser leurs processus. Ils prévoient de faire des tests supplémentaires pour caractériser les propriétés de leurs nouveaux matériaux.
Vlachos y voit un énorme potentiel économique.
"Cela pourrait rajeunir l'industrie du papier car les entreprises pourraient un jour vendre la lignine aux fabricants d'adhésifs, " dit-il. " Ou, ils pourraient faire le premier cycle de traitement sur place, puis vendre les molécules à d'autres sociétés. »
L'équipe de recherche a déposé un brevet provisoire sur ce travail.
La collaboration à son meilleur
Cette recherche illustre le pouvoir de la collaboration entre les ingénieurs UD.
« Il comprend tout, de la conception du catalyseur aux séparations rationalisées en passant par la synthèse et la caractérisation de matériaux haute performance, " a déclaré Epps. " Il couvre toute la gamme de ce que fait un ingénieur chimiste. "
