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西南林大杜官本院士、杨龙研究员团队《ACS AMI》:海洋节肢动物多层级结构启发多糖衍生木/竹材胶黏剂仿生设计
2024-02-05  来源:高分子科技

  胶黏剂在日常生活和工业中有着广泛的应用,传统的树脂胶黏剂通常依赖于石油资源,原料不可再生,且易导致环境污染和人类健康等问题。寻找高性能、可持续的木材胶黏剂替代品对于推动木材工业发展具有重要意义。研究人员已经对淀粉、纤维素、半纤维素、壳聚糖等多糖粘合剂进行了各种策略的评估,包括结构修饰、交联剂修饰以及纳米杂化增强和共价/非共价交联。然而,大多数多糖类粘合剂自身的胶合性能较差。此外,常见的多糖基木材粘合剂通常包含复杂的物理和化学修饰。海洋节肢动物外骨骼通常表现出卓越的强度和韧性,其中一个重要的设计原则归因于它们独特的扭曲胶合板结构,即从分子尺度上独特的鞣化作用及矿化机制到微观逐渐旋转的平面分层排列结构的叠加。因此,基于仿生学设计制造具有多层级微相有序结构的生物基胶黏剂具有重要研究价值且当前仍面临挑战。


1壳聚糖基仿生胶黏剂设计原理图。


  近日,西南林业大学杜官本院士、杨龙研究员团队与东北林业大学陈志俊教授合作,受海洋节肢动物固有的多层级结构启发,研究通过自组装策略方法制备了以胺官能化二氧化硅(SiO2-NH2)核,邻苯三酚(OPG)为外壳的纳米杂化核壳结构(SiO2-NH2@OPG)。将该杂化核壳结构与壳聚糖(CS)共混交联,制备得到性能优异的仿生木/材胶黏剂(SiO2-NH2@OPG/CS)SiO2-NH2@OPG通过酚胺化学共价交联整合插入到壳聚糖分子链中,削弱了链间纠缠,显著降低了壳聚糖胶黏剂的粘度,改善了初始流变特性,SiO2-NH2@OPG核壳结构颗粒与壳聚糖分子链共同形成了多层级微相分离结构,这种微观结构与海洋节肢动物的角质层相似,有助于增强机械性能。除了常规热压固化胶合外,该胶黏剂在室温下还表现出水分蒸发诱导固化行为。基于海洋节肢动物外骨骼的仿生结构机制,醌胺聚合交联增强与矿化增强一体化联合策略构筑了多尺度多层级的微相分离有序结构仿生胶黏剂体系。这种基于粘合剂技术的仿生功能化设计,为创制高性能木质复合材料以及为改善木/竹材界面胶合性能提供了新的思路和解决方案。SiO2-NH2@OPG/CS胶黏剂在木竹材料的工业生产中具有较大的应用潜力,这种仿生设计思路有望推动轻质高强度木质复合材料的研发。 


2壳聚糖基仿生胶黏剂的制备过程。


图3纳米杂化核壳结构的化学表征


图4 多糖基仿生胶黏剂的多层级微相分离有序结构。


图5 多糖基仿生胶黏剂的木/竹材胶合性能


  相关研究成果近期以“Lobster Inspires Chitosan-Derived Adhesives with Biomimetic Design”为题发表在国际期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。西南林业大学材料与化学工程学院杨龙研究员课题组研究生倪科路余娇娇为论文共同第一作者,官本院士、杨龙研究员和陈志俊教授为论文共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划课题任务、国家自然科学基金面上项目、云南省院士工作站、云南省基础研究计划重点项目、云南省中青年学术和技术带头人后备人才项目以及云南省高层次人才培养支持计划青年拔尖人才项目等经费支持。


  原文链接https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.3c19369

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(责任编辑:xu)
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