Forschende des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) haben einen wiederverwendbaren Klebstoff entwickelt, der aus Abfallpolymeren hergestellt wird und in seiner Haftfestigkeit handelsübliche Klebstoffe übertrifft. Das Material verbindet Holz, Glas, Metall, Papier und Kunststoffe – sowohl in trockener als auch in nasser Umgebung – und lässt sich durch Wärmeeinwirkung rückstandsfrei lösen und erneut einsetzen.
Ausgangsmaterial sind Abfallpolymere aus Getränkeflaschen, Textilfasern und Verpackungsfolien – Materialien, die sonst auf der Deponie landen würden. Sein Design orientiert sich an Muschelproteinen, die durch die Kombination wasseranziehender und wasserabstoßender Komponenten starke Haftung auch in feuchten Umgebungen ermöglichen. Für den Klebstoff wurde dieses Prinzip in einem einzigen Vernetzermolekül umgesetzt, das reversible chemische Bindungen ausbildet.
Reversible Vernetzung ermöglicht wiederverwendbaren Klebstoff
Herkömmliche Strukturklebstoffe basieren auf dauerhaften chemischen Vernetzungen, die eine zerstörungsfreie Trennung nahezu unmöglich machen. Aktuelle Fertigungsprozesse erfordern daher je nach Anwendung unterschiedliche Produkte: Polyvinylacetat für die Buchbinderei, Polyurethan für die Schuhherstellung, Silikone für die Versiegelung von Fenstern und Elektronikbauteilen sowie Industrieepoxide für die Verbindung von Flugzeug- und Automobilkomponenten.
Der an der ORNL entwickelte wiederverwendbare Klebstoff setzt stattdessen auf reversible Vernetzungsmoleküle, die wie ein chemisches Klettverschlusssystem funktionieren: Wärme löst die dynamischen Bindungen im Polymer, das Material gibt die Fügeflächen frei, ohne sie zu beschädigen, und beim Abkühlen bilden sich die Bindungen neu. Anisur Rahman, Forschungs- und Entwicklungsmitarbeiter am ORNL und Leitautor einer in Science Advances veröffentlichten Studie, beschreibt den Unterschied zu kommerziellen Produkten: „Unser Klebstoff kann für unterschiedlichste Anwendungen eingesetzt werden, darunter strukturelle und druckempfindliche Verbindungen, und er arbeitet zuverlässig sowohl in nasser als auch in trockener Umgebung. Keines der kommerziellen Klebstoffe kann auf diese Weise verwendet werden.“ Das Team debondierte und rebondierte den Klebstoff mehr als zehnmal ohne Leistungsverlust, die Scherfestigkeit liegt dabei durchgehend über dem marktüblichen Bereich von 7 bis 10 Megapascal.
Neben der thermischen Lösung ermöglicht das Verfahren auch eine chemische Rückgewinnung: Durch den Einsatz von Aminmolekülen lässt sich der Klebstoff in seine Monomerbestandteile zerlegen, sodass alle verwendeten Chemikalien zurückgewonnen werden können.
Muschelinspiriertes Design aus Recyclingmaterial
Ohne Lösungsmittel oder Katalysatoren wird dem Abfallpolymer eine aminhaltige chemische Gruppe hinzugefügt und das Gemisch knapp unterhalb der Schmelztemperatur erhitzt. Dabei zerlegt das Amin das Polymer in Monomere, von denen jedes vier Amingruppen trägt. „Wir haben Material, das für die Deponie bestimmt war, in etwas Wertvolles verwandelt“, sagt Mary Danielson, ehemalige ORNL-Postdoktorandin und heute Forschungsassistenzprofessorin am University of Tennessee-Oak Ridge Innovation Institute, die die Studie gemeinsam mit Rahman leitete.
Ein großes, vierarmiges Monomer reagiert mit der Acetacetatgruppe des Vernetzers und bildet so ein Harz mit hydrophilen und hydrophoben Eigenschaften – das Funktionsprinzip der Muschelproteinnachahmung. „Unser Klebstoff behielt starke Haftung unter verschiedenen Umgebungsbedingungen, darunter Meerwasser, extrem niedrige Temperaturen von minus 100 Grad Celsius sowie saure und basische Bedingungen“, so Rahman. Für Reparaturen an Booten, U-Booten und Pipelines kann der Klebstoff unter Wasser per Handdruck aufgetragen und ausgehärtet werden.
Eine Lebenszyklusanalyse von ORNL-Forscherin Zoriana Demchuk ergab, dass die Herstellung des neuen Klebstoffs energieeffizienter ist als die kommerzieller Alternativen. Das Forscherteam hat bereits ein Patent beantragt und untersucht, wie die Vernetzung für schwächere, temporäre Verbindungen angepasst werden kann – für Anwendungen wie ablösbare Etiketten, Heftpflaster oder Wirkstoffpflaster. Mögliche Einsatzgebiete reichen von Haushaltsprodukten bis hin zu Reparaturen in extremen Umgebungen wie unter Wasser oder im Weltall.
