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北京林業大學高強教授團隊《Chem. Eng. J.》：具有優異涂布、防霉、阻燃性能的多功能大豆蛋白膠黏劑

2022-08-05 來源：高分子科技

近期，北京林業大學材料科學與技術學院木質復合材料與膠黏劑課題組高強教授團隊以“An easy-coating, versatile, and strong soy flour adhesive via a biomineralized structure combined with a biomimetic brush-like polymer”為題，在《Chemical Engineering Journal》期刊發表了研究論文（DOI: 10.1016/j.cej.2022.138387）。針對豆粕膠黏劑初黏性差、制備人造板阻燃性能差等關鍵問題。受壁虎腳掌刷狀黏附結構與貽貝蛋白成分黏附啟發，設計合成具有結構黏附特性的以鄰苯二酚基團為端基的刷狀聚合物（ADD），在豆粕表面原位沉積Ca₃(PO₄)₂作為生物礦化模板，協同刷狀聚合物構建仿牡蠣高性能有機無機雜化交聯結構，在提高膠黏劑初黏性的同時對膠黏劑增強增韌，并賦予膠黏劑高效阻燃性能，開發出一種具有高強度、良好初黏性、防霉性能和阻燃性能的多功能豆粕膠黏劑。這種仿生策略為開發高性能和多功能復合材料(如水凝膠、組織材料和生物薄膜)提供了一種創造性新思路和新方法。

圖1. ADAS、ADD和SF@Ca溶液合成過程

圖2.（a）SF@Ca/TGA/ADD 膠黏劑流變學分析和（b）涂布性能（c）不同膠黏劑搭接強度

與SF膠黏劑相比，SF@Ca/TGA/ADD膠黏劑搭接剪切強度從57.42 KPa提高到151.2 5KPa，顯著提高236.1%，表明膠黏劑初黏性顯著提高。同時，改性膠黏劑涂布性能得到顯著改善，表現為涂覆表面均勻，膠輥殘留量明顯減少，膠層膠線分布緊密且連續。

圖3. SF@Ca/TGA/ADD 膠黏劑的制備及反應機理圖

圖4.（a）膠合板試驗過程；（b）SF@Ca/TGA/ADD 膠黏劑膠合強度；（c）和（d）SF@Ca/TGA/ADD 膠黏劑紅外光譜；（e）SF@Ca/TGA 膠黏劑 EDS 能譜數據包括 C, O, Ca, P

圖5.（a）濕態膠合強度試驗時 SF@Ca/TGA/ADD 膠黏劑的力-距離曲線，曲線積分面積為膠合功；（b）SF@Ca/TGA/ADD 膠黏劑韌性評估；（c）和（c1）SF；（d）和（d1）SF/TGA；（e）和（e1）SF@Ca/TGA；（f）和（f1）SF@Ca/TGA/ADD 膠黏劑 SEM 形貌

與SF膠黏劑相比，SF@Ca/TGA/ADD膠黏劑制備膠合板的干、濕膠合強度分別提高了118.8%和750%。同時，膠黏劑膠合功從0.31 J增加到4.04 J。改性膠黏劑膠層表面無裂紋出現。這歸因于磷酸鈣的物理增強作用，刷狀聚合物的內增韌作用和有機無機雜化體系對內應力的分散作用，使改性膠黏劑韌性明顯提高。

圖6.（a）液體膠黏劑和（b）固化膠黏劑防霉試驗；（c）液體膠黏劑中細菌和霉菌菌落測定

與SF膠黏劑相比，濕態SF@Ca/TGA/ADD膠黏劑放置7 d后、固化后膠黏劑粉末放置10 d后仍未觀察到霉變現象。這是由于席夫堿化合物的廣譜抗菌性以及刷狀聚合物中化合物（DBA）結構的天然抗菌活性賦予改性膠黏劑優良的抗菌和防霉性能。

圖7. SF@Ca/TGA/ADD 膠黏劑（a）TGA 和 DTG 曲線；（b）LOI 值；（c）HRR 和 THR 曲線

圖8.（a）SF/TGA，（b）SF@Ca/TGA 和（c）SF@Ca/TA/ADD 膠黏劑燃燒殘炭的拉曼光譜；（d）SF/TGA，（e）SF@Ca/TGA 和（f）SF@Ca/TA/ADD 膠黏劑燃燒殘炭的 C1s XPS 光譜

與SF膠黏劑相比，改性SF@Ca/TGA/ADD 膠黏劑的極限氧指數（LOI）從26.4%提高到30.1%。膠黏劑熱釋放率（HRR）和總熱釋放率（THR）分別降低到51.53 W/g 和 6.3 KJ/g。同時，對膠黏劑燃燒后碳層進行拉曼光譜和XPS光譜測試，改性膠黏劑中石墨化碳結構增加，含氧官能團減少，表明有機無機雜化結構構建，通過氮磷協同作用，在體系中形成碳化層，有效提高了膠黏劑阻燃性能。

本文第一作者為北京林業大學材料科學與技術學院博士研究生張婕妤，通訊作者為北京林業大學材料科學與技術學院高強教授，北京林業大學為第一和通訊單位。

原文鏈接：https://authors.elsevier.com/c/1fX9i4x7R2ccki

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（責任編輯：xu）

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