Отходы целлюлозы превратят в уникальный плавкий биоклей

Новый термоклей на биологической основе, изготовленный из промышленных отходов, превосходит по своим свойствам все известные строительные клеи и может использоваться до 10 раз. В основе клея — древесный сахар ксилан. Перед применением ксилановый клей нужно нагреть и расплавить.

Новый термоклей на биологической основе, полученный из побочного продукта деревообрабатывающей промышленности, превосходит по своим адгезионным свойствам традиционные эпоксидные смолы и коммерческие термоплавкие клеи. Исследователи из Пекинского университета лесного хозяйства разработали плавкий клей на основе  ксилана — сложного сахара, содержащегося в клеточных мембранах растений. Его можно наносить в расплавленном виде и повторно использовать более 10 раз без потери первоначальной прочности. Метод синтеза был обнародован в журнале Nature Sustainability.

Клеи являются ключевым компонентом  в десятках отраслей — производстве упаковки и мебели, строительстве и ремонте, электротехнике и приборостроении. Их делят на группы — клеи на основе растворителей, реактивные клеи и клеи-расплавы — в зависимости от того, как они отверждаются.

К сожалению, большинство промышленных клеев, доступных на рынке, получают из нефтепродуктов, что может оказать негативное воздействие на здоровье человека и окружающую среду.

Термоплавкие клеи также получают в основном из ископаемого топлива, но они с момента их появления в 1950-х годах остаются предпочтительнее других потенциально токсичных клеев. Причина — в универсальности. Термоплавкие адгезивы состоят из четырех ключевых ингредиентов:

• Полимеров, которые обеспечивают прочность и контролируют липкость;

• Смол, которые улучшают адгезию к различным поверхностям;

• Восков, которые повышают скорость отверждения и термостойкость;

• Консервантов, которые помогают повысить стабильность и продлить срок хранения.

Не содержащие растворителей и твердые при комнатной температуре, такие составы перед использованием необходимо нагреть и расплавить. После нанесения и охлаждения они быстро образуют прочное соединение, обеспечивая отличные механические характеристики без выделения большого количества вредных летучих органических соединений.

Сегодня мир переходит к более экологичным материалам, и исследователи постоянно ищут высокоэффективные, нетоксичные клеи, полученные из возобновляемых источников. В ходе нескольких исследований были предприняты попытки получения клеев на биологической основе из природных источников, таких как соевый белок, крахмал, хитин, целлюлоза и лигнин. Однако они страдали от низкой прочности склеивания и невозможности повторного использования.

В ходе нового эксперимента для синтеза высокоэффективного клея на биологической основе химики использовали ксилан, полученный на фабриках по производству вискозного волокна. Его подвергли сублимационной сушке и окислению в растворе периодата натрия (NaIO4). На этой стадии гидроксильные группы ксилана избирательно окисляются до альдегидных групп, при этом углеродные связи в ангидроксилозных звеньях расщепляются, в результате чего образуется диальдегидный ксилан (DAX).

После очистки порошок DAX обработали одноосновным раствором фосфата натрия (Na3PO4) с последующим добавлением боргидрида натрия (NaBH4), который восстанавливал гидроксильные группы и давал конечный продукт — диалспиртовый ксилан (RDAX).

Исследователи экспериментально использовали ксилановый клей для склеивания некоторых видов древесной стружки и обнаружили, что он обладает прочностью на сдвиг внахлест (способностью сохранять адгезию при приложении усилия параллельно соединяемому шву) примерно до 30 МПа, что превосходит практически все коммерчески доступные плавкие клеи. Высокоэффективный термоплавкий клей хорошо работает при экстремальных холодах, сохраняя высокую адгезию даже при температуре -25°C.

Такая повышенная адгезионная прочность обусловлена образованием сплошного слоя, который механически сцепляется с древесиной, проникая в ее поры. На молекулярном уровне сильная адгезия возникает главным образом за счет водородных связей и ван-дер-ваальсовых сил между клеем и поверхностью основы.

Биосовместимый многоразовый ксилановый клей, полученный из отходов производства, ускоряет переход к более экологичной безотходной экономике.

Источник: https://hi-tech.mail.ru/news/128374-othody-cellyulozy-prevratyat-v-unikalnyj-plavkij-bioklej/