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《Advanced Functional Materials》期刊生物质粘合剂突破：豆腐启发的强韧水保持型生物质粘合剂
一、作者团队与发表信息
该研究由Jiawei Shao、Qiumei Jing、Xinyi Li、Muhammad Wakil Shahzad、Shuaicheng Jiang、Xuehua Zhang、Shengbo Ge、Ben Bin Xu、Jianzhang Li等学者合作完成，发表于材料科学领域顶级期刊《Advanced Functional Materials》2025年第35卷第26期（文章编号2424726），采用开放获取形式，首次发表日期为2025年2月9日。截至报告时论文已被引用11次。
二、研究背景与目标
科学领域：本研究属于生物基材料（biomass-based materials）与绿色粘合剂（green adhesives）交叉领域，聚焦于替代石油基粘合剂的可持续解决方案。
研究动机：传统石油基粘合剂存在环境和健康风险，而现有生物质粘合剂（如大豆蛋白基粘合剂）面临两大核心缺陷：机械强度不足（poor mechanical strength）和水分保持能力低（low water retention）。尽管已有研究尝试通过”键缝合”拓扑结构（bond-stitch topology）或合成聚酯保水剂改进，但仍存在水环境粘附失效或环境污染等问题。
灵感来源：研究团队从豆腐（tofu）的胶体凝胶结构（colloidal gel structure）获得启发——其通过蛋白质-溶剂和蛋白质-蛋白质交联形成的蜂窝网络结构具有出色的水分保持能力和质地稳定性。
研究目标：开发一种通过葡萄糖氧化酶（glucose oxidase, GOx）和硫酸钙寡聚物（calcium sulfate oligomer, CSO）协同改性的高性能大豆粕（soybean meal, SM）粘合剂，实现机械强度与水保持性能的同步提升。
三、研究流程与方法
1. 材料设计与氧化改性
- 研究对象：大豆粕（200目筛，蛋白质含量53%）作为基础原料。
- 酶催化氧化：采用GOx（10000U活性）催化SM中糖类氧化为葡萄糖酸内酯（gluconolactone），进而水解生成活性羧基（-COOH），实验设置不同GOx添加量（单位U/g）梯度。
- 表征方法：
- 傅里叶红外光谱（FTIR）证实C=O键拉伸振动峰（1030 cm⁻¹→1034 cm⁻¹）和-OH峰位移（3272→3277 cm⁻¹）；
- X射线光电子能谱（XPS）显示C4（CO─OH）峰面积从5.38%增至8.89%，证实氧化成功；
- 动态光散射（DLS）显示蛋白质颗粒尺寸随氧化程度增加而增大，形成水锁定结构。
2. 无机-有机杂化网络构建
- 钙桥形成：添加CSO（通过CaCl₂·2H₂O与H₂SO₄/三乙胺反应合成）与氧化产生的羧基形成配位键（coordination bonds），构建”钙桥”（calcium bridge）结构。
- 多级相互作用验证：
- 拉曼光谱（Raman）在450-550 cm⁻¹处检测到S-S键信号增强；
- SDS-PAGE电泳显示蛋白条带随GOx增加逐渐变浅，证实交联密度提升；
- 热重分析（TGA）显示杂化粘合剂残炭率从67.49%提升至78.31%。
3. 粘合性能系统评测
- 样本制备：三层层合板（杨木单板，尺寸400×400×1.5 mm），涂布量190-200 g/m²，热压条件120℃/1.0 MPa/6 min。
- 力学测试：
- 常温剪切强度：SM/Gox/CSO1.5达0.78±0.03 MPa（较纯SM提升300%）；
- 湿剪切强度（63℃水浸3h）：1.35±0.09 MPa，超过GB/T 9846-2015 II类室内胶合板标准（≥0.7 MPa）；
- 剥离功（debonding work）从236.95提升至805.11 N·m⁻¹。
- 水保持性能：
- 30分钟水损失率降低30.66%；
- 自然环境下暴露30分钟后仍保持70.37%初始湿强度。
4. 抗霉菌与循环性能研究
- 抗霉测试（35℃/90%RH）：
- 普通SM粘合剂2天发霉面积达50%；
- SM/Gox/CSO1.5在18天后仅5%霉变，归因于GOx产生的H₂O₂分解自由基和CSO释放的钙离子阻断真菌钾通道。
- 循环利用：
- 一代再生刨花板弯曲强度28.40±1.49 MPa，超越GB/T 4897-2015 P3型标准；
- 二代产品仍保持13.13±0.51 MPa（相当于P2型标准）。
四、关键结果与逻辑链
1. 氧化-矿化协同机制：GOx催化产生的羧基与CSO形成动态交联网络，FTIR中C─O─C峰位移（1034→1041 cm⁻¹）和XPS中O-Ca峰（532.98 eV）证实该机制。
2. 结构-性能关系：SEM显示改性粘合剂断裂面更粗糙致密，EDS证实Ca、S元素均匀分布，支撑其机械强度提升。
3. 水保持科学依据：
- 豆腐启发的水合网络减少蒸发（接触角从69.0°提升至82.7°）；
- DTNB测试显示-SH减少59%，促进疏水区域形成。
五、研究结论与价值
科学价值：
1. 首次揭示酶催化氧化介导的有机-无机杂化策略在生物质粘合剂中的应用；
2. 建立”氧化增活位点-钙桥交联-水合锁定”的多尺度设计理论。
应用价值：
1. 成本优势：预估价格2233-2880 CNY/吨，低于商用UF树脂；
2. 环境友好：VOCs排放4.66×10⁻⁶ mg/m³，达E0级甲醛标准；
3. 工业兼容性：适用于木材、金属、玻璃等多种基材（最高剪切强度2.45 MPa）。
六、研究亮点
1. 方法论创新：
- 开发GOx/CSO双功能改性体系，相较传统酸法豆腐制备提升机械性能；
- 首创”原位氧化-矿化”一步反应工艺。
2. 性能突破：
- 湿强度129%提升创生物质粘合剂纪录；
- 实现水保持（30.66%损失率）与耐水性（1.35 MPa湿强）的平衡。
3. 跨学科启示：
- 将食品科学（豆腐凝胶）原理转化为材料设计准则；
- 为生物质高值化利用提供新范式。
七、其他发现
1. 温度优化：120℃热压时性能最佳，过高温度导致蛋白质变性反而不利；
2. 耐久性：经4次冻融循环后仍保持0.76 MPa湿强，优于传统PF树脂；
3. 降解性：5天内可自然降解，显著快于PE塑料。
（报告总字数：约2150字）
注：专业术语首次出现均保留英文原词并标注中文释义，实验数据精确到原文报告数值，关键结论与期刊原文保持一致。