Zum Patent angemeldete Klebstoffformulierungen, die an der Purdue University aus vollständig nachhaltigen, biobasierten Komponenten entwickelt wurden, stellen Verbindungen her, die unter Wasser oder bei Nässe stärker werden.
Gudrun Schmidt, außerordentliche Professorin für Praxis am Department of Chemistry von Purdue, und ein Forscherteam entwickelten die Formulierungen aus Zein, einem Protein, das in Mais vorkommt, und Tanninsäure. In der Zeitschrift wurde ein Artikel über die Forschung des Teams veröffentlicht ACS Angewandte Materialien und Schnittstellen.
Die Klebstoffformulierungen könnten weiterentwickelt und bei der Wiederherstellung von Korallenriffen eingesetzt werden und in der Bau-, Fertigungs-, Biomedizin-, Zahn-, Lebensmittel- und Kosmetikindustrie Anwendung finden.
Stärker im Wasser
Schmidt und ihre Kollegen führten Unterwasser-Klebstoffexperimente mit ihren Formulierungen durch, wobei sie verschiedene Oberflächen und verschiedene Gewässer verwendeten, darunter Meerwasser, Salzlösung, Leitungswasser und entionisiertes Wasser.
„Interessanterweise hat die Wasserart keinen großen Einfluss auf die Leistung, wohl aber die Substratart“, sagte Schmidt. „Ein weiteres unerwartetes Ergebnis war, dass die Klebkraft mit der Zeit zunahm, wenn sie Wasser ausgesetzt wurde, was im Widerspruch zu allgemeinen Experimenten mit herkömmlichen Klebstoffen auf Erdölbasis stand. Die anfängliche Haftung unter Wasser war stärker als die Haftung auf dem Tisch, was darauf hindeutet, dass Wasser dazu beiträgt, dass der Kleber unter Wasser haftet.“ “
Unter Wasser bildete sich auf der Oberfläche der Klebstoffe eine schützende Haut, die verhinderte, dass Wasser sofort in den Rest des Materials eindrang.
„Aber sobald die Haut angebracht war, konnte sie aufgebrochen werden, um eine schnellere Bindungsbildung zu bewirken“, sagte Schmidt.
Die Experimente zeigten außerdem, dass die Bindung bei etwa 30 Grad Celsius am stärksten ist und bei höheren Temperaturen noch einmal zunimmt.
Schmidt sagte, der Prozess zur Herstellung der Klebstoffformulierungen sei kurz.
„Wir können kostengünstige, nachhaltig gewonnene, pflanzliche Materialien verwenden, um innerhalb von Stunden literweise Klebstoff herzustellen“, sagte Schmidt. „Die Klebstoffe lassen sich sehr einfach im Labor oder im Freien überall auf der Welt herstellen.“
Die Nachfrage nach ungiftigen Formulierungen
Schmidt sagte, andere Forscher formulieren Klebstoffe, die die Klebstoffe nachahmen, die Muscheln, Seepocken, Austern und Sandburgwürmer verwenden, um am Meeresboden und anderen nassen Oberflächen zu haften. Die leistungsstärksten Formulierungen sind jedoch vollständig synthetisch.
„Langwierige Synthesen unter Einsatz aggressiver Chemikalien könnten ihre zukünftige Entwicklung bremsen“, sagte Schmidt. „Ungiftigkeit, Materialien aus nachhaltigen Quellen und minimale Auswirkungen auf die Umwelt sind zunehmend gefragt. Daher haben sich mehrere Gruppen der Entwicklung neuer und der Neuherstellung alter Klebstoffsysteme mithilfe bioinspirierter oder biobasierter Chemie zugewandt.“
Die gestiegene Nachfrage nach ungiftigen Materialien hat zur Entwicklung von Klebstoffen für biomedizinische Anwendungen geführt. Die resultierenden Klebstoffe haben ähnliche Eigenschaften wie Weichgewebe. Schmidt sagte, dass biobasierte Klebstoffe weitere Anwendungsmöglichkeiten hätten.
„Sobald man den In-vivo- und biomedizinischen Bereich hinter sich lässt, gibt es eine ganze Welt anderer Anwendungen, die Metalle, Kunststoffe, Holz und anorganische Substrate erfordern, die Klebstoffe benötigen, um in Gegenwart von Wasser zu funktionieren“, sagte Schmidt. „Lebensmittel-, orale und kosmetische Anwendungen sind weniger restriktiv, wenn es um die Reinheit der Ausgangsmaterialien geht. Polymere in Lebensmittelqualität können oft für die Herstellung von Nassklebstoffen verwendet werden. Wir arbeiten auch an Dentalanwendungen und versuchen, Verbindungen in dieser nassen und anspruchsvollen Umgebung herzustellen.“ .“
Wiederherstellung des Korallenriffs
Schmidt sagte, eine weitere besonders interessante Anwendung der zum Patent angemeldeten, von Purdue entwickelten Klebstoffformulierungen sei die Wiederherstellung von Korallenriffen.
„Weltweit gibt es mehrere große Anstrengungen, junge Korallen zu pflanzen, um bereits tote Strukturen zu ersetzen“, sagte Schmidt. „Ein großes Hindernis für diese Bemühungen ist der Mangel an geeigneten Unterwasserklebstoffen, die für diese Anwendung gut funktionieren.“
Schmidt und ihr Forschungsteam arbeiten mit dem Stiftung zur KorallenrestaurierungSenden verschiedener Formulierungen zum Testen.
„Wir haben kürzlich die Florida Keys besucht, um einige Formulierungen in Eimern mit Meerwasser zu testen“, sagte Schmidt. „Es ist großartig, unsere Arbeit außerhalb des Forschungslabors und in der realen, feuchten Welt zu sehen.“
„Die Coral Restoration Foundation ist ständig auf der Suche nach der effizientesten und effektivsten Methode zur Auspflanzung von Korallen an Riffstandorten“, sagte Phanor H. Montoya-Maya, Programmmanager für Korallenrestaurierung bei CRF.
„Verschiedene Alternativen zu haben bedeutet, dass unterschiedliche Arten und Lebensräume mit positiven Ergebnissen verdrängt werden können“, sagte Montoya-Maya. „Wissenschaftskooperationen wie diese ermöglichen es uns, Methoden vor der allgemeinen Restaurierung zu testen und zu verfeinern. Die vorläufigen Feldergebnisse sind sehr ermutigend, und wir werden den Purdue-Forschern weiterhin Feedback geben, um sicherzustellen, dass das Endprodukt bei mehreren Restaurierungszielen durchweg erfolgreich ist.“
Mehr Informationen:
Gudrun Schmidt et al, Unterwasserverklebung mit einem biobasierten Klebstoff aus Tanninsäure und Zeinprotein, ACS Angewandte Materialien und Schnittstellen (2023). DOI: 10.1021/acsami.3c04009