Китайські вчені створили біоклей з відходів деревини

Науковці з Пекінського лісового університету розробили революційний біологічний термоклей, виготовлений з відходів деревообробної промисловості, який значно перевершує традиційні епоксидні смоли та комерційні термоклеї за показниками адгезії. Результати дослідження опубліковано в престижному журналі Nature Sustainability.

Новий клей створено на основі ксилану — складного цукру, що міститься в клітинних стінках рослин. Цю речовину дослідники отримали з побічних продуктів виробництва деревної целюлози, зокрема з відходів заводів з виробництва віскозного волокна. Унікальність розробки полягає в тому, що клей можна використовувати понад десять разів без втрати первинної міцності.

Клеї відіграють ключову роль в промисловому виробництві, особливо в упаковці, будівництві та електроніці. Їх зазвичай поділяють на групи залежно від способу затвердіння: клеї на основі розчинників, реактивні клеї та термоклеї. Більшість промислових клеїв виготовляють з нафтопродуктів, що негативно впливає на здоров'я людини та навколишнє середовище.

Термоклеї використовують з 1950-х років як альтернативу потенційно токсичним аналогам. Вони складаються з чотирьох основних компонентів: полімерів, які забезпечують міцність та контролюють липкість; смол, що покращують адгезію до різних поверхонь; восків, які прискорюють затвердіння та підвищують термостійкість; та добавок, що збільшують стабільність і продовжують термін зберігання.

Термоклеї не містять розчинників і залишаються твердими за кімнатної температури. Перед використанням їх потрібно розплавити. Після нанесення та охолодження вони швидко утворюють міцні з'єднання, демонструючи відмінні механічні властивості без виділення шкідливих летких органічних сполук.

З переходом світу до більш сталих рішень дослідники активно шукають високоефективні нетоксичні клеї з відновлюваних ресурсів. Попередні дослідження розглядали можливість отримання біоклеїв з природних джерел, таких як соєвий білок, крохмаль, хітин, целюлоза та лігнін. Однак ці розробки мали обмеження через низьку міцність з'єднання та відсутність можливості повторного використання.

Для синтезу високоефективного біоклею дослідники отримали ксилан з заводів з виробництва віскозного волокна. Сировину заморожували, висушували та окислювали в розчині періодату натрію. Цей етап селективно окислював гідроксильні групи ксилану в альдегідні групи, одночасно розриваючи вуглецеві зв'язки в ангідроксилозних одиницях, що призводило до утворення діальдегідного ксилану.

Після очищення порошок діальдегідного ксилану обробляли розчином однозаміщеного фосфату натрію, а потім боргідридом натрію, який відновлював гідроксильні групи та давав кінцевий продукт — діалкогольний ксилан.

Дослідники використали ксилановий клей для з'єднання деревних стружок і виявили, що він демонструє міцність на зсув до 30 мегапаскалів — показник, який перевершує багато комерційно доступних термоклеїв. Високоефективний термоклей також добре працює в екстремальному холоді, зберігаючи міцну адгезію навіть за температури мінус 25 градусів Цельсія.

Підвищена міцність адгезії пояснюється утворенням суцільного шару, який механічно зчіплюється з деревиною, проникаючи в її судинні пори. На молекулярному рівні міцна адгезія виникає переважно завдяки водневим зв'язкам та силам ван-дер-Ваальса між клеєм та поверхнею субстрату.

Біосумісний клей багаторазового використання, отриманий з відходів виробництва, посилює перехід до більш екологічної та циркулярної економіки. Розробка відкриває нові можливості для створення сталих матеріалів з промислових відходів.