西南林大杜官本院士、楊龍研究員團隊《ACS SCE》: 通過凍融誘導(dǎo)原位交聯(lián)實現(xiàn)室溫固化的纖維素粘合劑 - 用于粘合竹子或木材
竹木加工行業(yè)長期依賴熱固性樹脂粘合劑（如脲醛樹脂、異氰酸酯類），主要通過熱壓工藝完成膠合過程，能耗巨大且釋放有害揮發(fā)物（VOCs）。隨著“雙碳”目標(biāo)推進，開發(fā)綠色、低成本的生物基粘合劑成為行業(yè)所需。然而，現(xiàn)有纖維素基粘合劑面臨室溫固化難、耐水性差等瓶頸，難以滿足工業(yè)需求。
近日，西南林業(yè)大學(xué)杜官本院士、楊龍研究員團隊通過“凍融誘導(dǎo)+原位交聯(lián)”技術(shù)方法，將胺化纖維素（AC）和環(huán)氧化纖維素（EC）在氫氧化鈉溶液中進行凍?融誘導(dǎo)原位交聯(lián)。在整個凍?融過程中，聚合物鏈通過晶體成核及生長形成了新的結(jié)晶域，實現(xiàn)了纖維素鏈之間的物理和化學(xué)交聯(lián)。最終，在微米和納米尺度上形成了化學(xué)+物理雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。這種全纖維素基室溫固化粘合劑（AC-EC）適用于粘接木材和竹子，并具有優(yōu)異的防水性能。傳統(tǒng)人造板熱壓工藝能耗約占生產(chǎn)成本30%以上，而AC-EC粘合劑可直接室溫固化成型，省去了加熱環(huán)節(jié)。據(jù)測算，若大規(guī)模應(yīng)用，單條生產(chǎn)線年省電可達數(shù)萬度，減排二氧化碳數(shù)十噸。因此，AC?EC膠黏劑對降低人造板工業(yè)的能源消耗和碳排放具有潛在的發(fā)展前景。
圖1、纖維素的功能化改性。（1）胺化纖維素（AC）和環(huán)氧化纖維素（EC）：在纖維素分子鏈上引入氨基和環(huán)氧基團，提供活性反應(yīng)位點；（2）通過凍-融誘導(dǎo)策略形成物理和化學(xué)交聯(lián)骨架。
圖2化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建：堿性環(huán)境下，AC的氨基與EC的環(huán)氧基開環(huán)反應(yīng)，形成穩(wěn)定共價鍵。
圖3 物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建：凍-融過程中，纖維素鏈參與晶體成核生長，構(gòu)建納米級物理纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)。
圖4膠黏劑的力學(xué)性能測試：松木、杉木、桉木、櫸木、竹材等均表現(xiàn)出優(yōu)異的黏合性能和耐水性。
圖5膠黏劑的成本能耗測算。（1）室溫固化，無需熱壓，24小時自然固化，能耗近乎為零。（2）環(huán)保經(jīng)濟：主要原料為生物質(zhì)組分。
相關(guān)研究成果近期以“Room-Temperature Curing of Cellulose Adhesive via Freeze?ThawInduced In Situ Cross-Linking for Bonding Wood or Bamboo”為題發(fā)表在國際期刊《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》上。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃課題任務(wù)、國家自然科學(xué)基金面上項目、云南省院士工作站、云南省基礎(chǔ)研究計劃重點項目、云南省中青年學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人后備人才項目以及云南省高層次人才培養(yǎng)支持計劃青年拔尖人才項目等經(jīng)費支持。
原文鏈接: https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acssuschemeng.4c10667
