Chemiker nutzen die Natur als Inspiration für ein nachhaltiges, erschwingliches Klebstoffsystem

Kleber hält die Welt zusammen. Ohne Klebstoffe würde ein Großteil der modernen menschlichen Zivilisation – einschließlich unserer Mobiltelefone, Autos, Möbel, Wände und der Pakete, die vor unserer Haustür ankommen – einfach auseinanderfallen.

Das Problem bei all diesen Klebstoffen ist, dass sie nicht nachhaltig sind. Ein Team von Chemikern an der Purdue University unter der Leitung von Jonathan Wilker, Professor für Chemie am College of Science und Materialtechnik, will dies mit einem neuen, völlig nachhaltigen Klebstoffsystem ändern. Die Ergebnisse des Teams wurden in einem Papier veröffentlicht Natur.

„Unsere aktuellen Klebstoffe verursachen alle möglichen Umweltprobleme“, sagte Wilker. „Fast alle Klebstoffe basieren auf Erdöl und zersetzen sich nicht. Die gebundenen Materialien in unseren Produkten bleiben zusammenkleben. Daher können wir viele der Materialien, die wir in unsere Recyclingtonnen werfen, nicht recyceln. Ausrangierte Produkte bleiben jahrhundertelang auf Mülldeponien liegen und tragen manchmal zum Mikroplastik im Ozean bei.“

Wilker und sein Labor haben jahrelang die Wissenschaft klebriger Substanzen erforscht, anhaftende Meerestiere wie Muscheln und Austern analysiert und versucht, bessere, nachhaltige und erschwingliche Klebstoffe zu entwickeln, die genauso gut funktionieren wie jeder Klebstoff aus dem Baumarkt. Er hat in seinem Labor eine Schublade mit handelsüblichen Klebstoffen, die einen starken und vertrauten Geruch verströmen.

„Diese flüchtigen Petrochemikalien in diesen Klebstoffen können giftig sein, was ein weiteres Problem bei aktuellen Technologien darstellt“, sagte Wilker. Ein Beispiel ist das übliche Baumaterial Sperrholz, das aus Holzstücken besteht, die mit Klebstoffen auf Formaldehydbasis zusammengehalten werden. Neu gebaute Häuser stoßen Formaldehyd aus, wodurch die Bewohner diesem Karzinogen ausgesetzt werden.

Diese Stoffe sind sowohl für die Umwelt als auch für die menschliche Gesundheit schädlich. Allerdings sind Menschen und Unternehmen daran gewöhnt, herkömmliche Klebstoffe zu verwenden; Sie sind stark, einfach herzustellen und relativ kostengünstig. Jeder neue Klebstoff muss mindestens genauso gut funktionieren wie herkömmliche Produkte, weshalb Wilker diese Schublade bereithält: um sie Seite an Seite mit innovativen Substanzen zu testen.

„Indem wir untersuchen, wie die Natur Klebstoffe herstellt, lernen wir, wie wir neue Technologien für unsere zukünftige Gesellschaft entwickeln können“, sagte Wilker. „Angesichts all der Probleme, die aktuelle Klebstoffe mit sich bringen, fühlen wir uns verpflichtet, etwas Besseres zu schaffen. Im Idealfall sind neue Klebstoffe biobasiert und ungiftig benötigt und bei Bedarf auch in der Lage ist, die Substrate auseinanderzunehmen.

„Weitere Designbeschränkungen, mit denen wir uns auseinandersetzen, um Wirkung zu erzielen, sind niedrige Kosten und die Verfügbarkeit aller Ausgangsverbindungen in großem Maßstab.“

Nach einer Reihe von Experimenten mit verschiedenen biologischen und nachhaltigen Inhaltsstoffen entschied sich das Team für epoxidiertes Sojaöl als Hauptbestandteil. Epoxidiertes Sojaöl wird weltweit bereits in großem Umfang hergestellt. Für ihre Arbeit war der kleinste Behälter, den sie kaufen konnten, ein 55-Gallonen-Fass der Substanz. Da bei jedem Experiment nur wenig epoxidiertes Sojaöl verwendet wird, ist der Füllstand in ihrer Trommel nach mehreren Testjahren nur um wenige Zentimeter gesunken.

Wilker und sein Team fügten das epoxidierte Sojaöl Apfelsäure hinzu, einer Verbindung, die vor allem dafür bekannt ist, Äpfeln ihren herben Geschmack zu verleihen. Dann fügten sie Gerbsäure hinzu, um einen Aspekt der Chemie bereitzustellen, die Muscheln verwenden, um sich an Steinen und aneinander zu befestigen. Gerbsäure ist ein Bestandteil von Tanninen, die in Bäumen, Rotwein und schwarzem Tee vorkommen. Die Summe dieser drei Zutaten ergab einen Klebstoff, der kostengünstig, effektiv, skalierbar, praktisch in der Herstellung und absolut nachhaltig ist.

„Wenn man diese Komponenten unter den richtigen Bedingungen kombiniert, können Klebstoffe hergestellt werden, die so stark sind wie Epoxidharze“, sagte Wilker. Epoxidharze gelten allgemein als Klebstoffe mit der höchsten Leistungsfähigkeit. „Alle Komponenten sind biobasiert, sicher und bereits im Waggonmaßstab erhältlich. Ein Pluspunkt ist, dass der Klebstoff einfach herzustellen ist. Grundsätzlich kann man die Komponenten mischen und erhitzen.“ Mit epoxidiertem Sojaöl können auch andere biobasierte Verbindungen verwendet werden, wodurch eine ganze Familie neuer nachhaltiger Klebstoffe entsteht.

Um die Leistung des Klebstoffs zu testen, klebten die Wissenschaftler Objekte – Holz, Kunststoff oder Metalle – zusammen und verwendeten dann ein Instrument zum Aufbrechen der Verbindungen und zum Messen der Kräfte. In vielen Fällen hielten ihre neuen Klebstoffe gut stand und zeigten manchmal eine ähnliche oder sogar bessere Leistung als herkömmliche giftige Klebstoffe wie Sekundenkleber und Epoxidharz.

Weitere Forschungsarbeiten werden das System verfeinern und darauf hinarbeiten, die gesellschaftlichen und ökologischen Auswirkungen in Bereichen zu maximieren, die von medizinischen Innovationen über Industriematerialien bis hin zu Verpackungen reichen. Die Innovationen ihres Teams könnten den Weg zu einem nachhaltigeren System ebnen, das die Welt zusammenhält.

Wilker gab seine Klebstoffe dem Purdue Innovates Office of Technology Commercialization bekannt, das ein Patent zum Schutz des geistigen Eigentums angemeldet hat.