北京林业大学高强教授团队《Chem. Eng. J.》：具有优异涂布、防霉、阻燃性能的多功能大豆蛋白胶黏剂

2022-08-05 来源：高分子科技

近期，北京林业大学材料科学与技术学院木质复合材料与胶黏剂课题组高强教授团队以“An easy-coating, versatile, and strong soy flour adhesive via a biomineralized structure combined with a biomimetic brush-like polymer”为题，在《Chemical Engineering Journal》期刊发表了研究论文（DOI: 10.1016/j.cej.2022.138387）。针对豆粕胶黏剂初黏性差、制备人造板阻燃性能差等关键问题。受壁虎脚掌刷状黏附结构与贻贝蛋白成分黏附启发，设计合成具有结构黏附特性的以邻苯二酚基团为端基的刷状聚合物（ADD），在豆粕表面原位沉积Ca₃(PO₄)₂作为生物矿化模板，协同刷状聚合物构建仿牡蛎高性能有机无机杂化交联结构，在提高胶黏剂初黏性的同时对胶黏剂增强增韧，并赋予胶黏剂高效阻燃性能，开发出一种具有高强度、良好初黏性、防霉性能和阻燃性能的多功能豆粕胶黏剂。这种仿生策略为开发高性能和多功能复合材料(如水凝胶、组织材料和生物薄膜)提供了一种创造性新思路和新方法。

图1. ADAS、ADD和SF@Ca溶液合成过程

图2.（a）SF@Ca/TGA/ADD 胶黏剂流变学分析和（b）涂布性能（c）不同胶黏剂搭接强度

与SF胶黏剂相比，SF@Ca/TGA/ADD胶黏剂搭接剪切强度从57.42 KPa提高到151.2 5KPa，显著提高236.1%，表明胶黏剂初黏性显著提高。同时，改性胶黏剂涂布性能得到显著改善，表现为涂覆表面均匀，胶辊残留量明显减少，胶层胶线分布紧密且连续。

图3. SF@Ca/TGA/ADD 胶黏剂的制备及反应机理图

图4.（a）胶合板试验过程；（b）SF@Ca/TGA/ADD 胶黏剂胶合强度；（c）和（d）SF@Ca/TGA/ADD 胶黏剂红外光谱；（e）SF@Ca/TGA 胶黏剂 EDS 能谱数据包括 C, O, Ca, P

图5.（a）湿态胶合强度试验时 SF@Ca/TGA/ADD 胶黏剂的力-距离曲线，曲线积分面积为胶合功；（b）SF@Ca/TGA/ADD 胶黏剂韧性评估；（c）和（c1）SF；（d）和（d1）SF/TGA；（e）和（e1）SF@Ca/TGA；（f）和（f1）SF@Ca/TGA/ADD 胶黏剂 SEM 形貌

与SF胶黏剂相比，SF@Ca/TGA/ADD胶黏剂制备胶合板的干、湿胶合强度分别提高了118.8%和750%。同时，胶黏剂胶合功从0.31 J增加到4.04 J。改性胶黏剂胶层表面无裂纹出现。这归因于磷酸钙的物理增强作用，刷状聚合物的内增韧作用和有机无机杂化体系对内应力的分散作用，使改性胶黏剂韧性明显提高。

图6.（a）液体胶黏剂和（b）固化胶黏剂防霉试验；（c）液体胶黏剂中细菌和霉菌菌落测定

与SF胶黏剂相比，湿态SF@Ca/TGA/ADD胶黏剂放置7 d后、固化后胶黏剂粉末放置10 d后仍未观察到霉变现象。这是由于席夫碱化合物的广谱抗菌性以及刷状聚合物中化合物（DBA）结构的天然抗菌活性赋予改性胶黏剂优良的抗菌和防霉性能。

图7. SF@Ca/TGA/ADD 胶黏剂（a）TGA 和 DTG 曲线；（b）LOI 值；（c）HRR 和 THR 曲线

图8.（a）SF/TGA，（b）SF@Ca/TGA 和（c）SF@Ca/TA/ADD 胶黏剂燃烧残炭的拉曼光谱；（d）SF/TGA，（e）SF@Ca/TGA 和（f）SF@Ca/TA/ADD 胶黏剂燃烧残炭的 C1s XPS 光谱

与SF胶黏剂相比，改性SF@Ca/TGA/ADD 胶黏剂的极限氧指数（LOI）从26.4%提高到30.1%。胶黏剂热释放率（HRR）和总热释放率（THR）分别降低到51.53 W/g 和 6.3 KJ/g。同时，对胶黏剂燃烧后碳层进行拉曼光谱和XPS光谱测试，改性胶黏剂中石墨化碳结构增加，含氧官能团减少，表明有机无机杂化结构构建，通过氮磷协同作用，在体系中形成碳化层，有效提高了胶黏剂阻燃性能。

本文第一作者为北京林业大学材料科学与技术学院博士研究生张婕妤，通讯作者为北京林业大学材料科学与技术学院高强教授，北京林业大学为第一和通讯单位。

原文链接：https://authors.elsevier.com/c/1fX9i4x7R2ccki

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（责任编辑：xu）

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