学术研究报告：基于支链胺与双醛纤维素整合的高性能生物基木材胶粘剂研究
一、作者与发表信息
本研究由Hongxing Yang、Yingchen Wu、Kelu Ni等作者共同完成，通讯作者为Guanben Du和Long Yang。研究成果发表于*International Journal of Adhesion and Adhesives*，2023年8月第126卷，文章编号103449。
二、学术背景
科学领域与问题背景
木材胶粘剂是家具、建筑等行业的关键材料，但传统甲醛基树脂（如脲醛树脂）依赖不可再生的化石原料，且释放甲醛等挥发性有机化合物（VOCs），危害健康与环境。生物基胶粘剂（如淀粉、木质素、纤维素衍生物）因其可再生性和环保性成为研究热点，但其普遍存在粘接强度低、耐水性差的问题。
研究目标
本研究旨在通过席夫碱反应（Schiff-base reaction）将双醛纤维素（dialdehyde cellulose, DAC）与支链聚胺（3N）或线性二元胺（2N）交联，开发高性能生物基木材胶粘剂，并探究支链结构对粘接性能的影响。
三、研究流程与方法
1. 双醛纤维素（DAC）的制备
- 方法：微晶纤维素（MCC）通过高碘酸钠（NaIO₄）氧化，选择性断裂C2-C3键并将羟基转化为醛基（图2）。
- 关键参数：反应72小时，避光条件下进行，终止反应后离心、冷冻干燥。
- 表征：傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实醛基特征峰（1735 cm⁻¹），固体核磁共振（¹³C NMR）显示C2/C3氧化成功。
2. 胶粘剂合成（DAC-2N与DAC-3N）
- 交联反应：DAC分别与线性二乙烯三胺（DETA, 2N）和支链三(2-氨乙基)胺（TAEA, 3N）在70℃、pH=8条件下反应2小时（图1）。
- 优化参数：通过控制DAC与胺的质量比（1:1最佳）和固含量（40%最优），获得不同交联密度的胶粘剂。
3. 胶粘剂性能测试
- 粘接强度测试：采用三合板试样（25 mm × 25 mm粘接面积），通过万能试验机测定干态、63℃热水浸泡3小时及沸水浸泡后的剪切强度。
- 表征技术：
- FTIR与X射线光电子能谱（XPS）：证实C=N键（1628 cm⁻¹）和N-C-N键的形成。
- 扫描电镜（SEM）：DAC-3N表面粗糙度更高，显示更致密的交联网络。
- 热重分析（TGA）：DAC-3N在332.1℃才发生显著分解，热稳定性优于DAC-2N。
4. 数据分析
- 粘接强度数据通过标准偏差分析，结合SEM和光谱结果解释性能差异。
四、主要结果
1. DAC-3N的卓越性能
- 干态粘接强度达2.74 MPa（比纯DAC提升103%），湿态强度1.81 MPa（纯DAC为0 MPa）。
- 沸水浸泡后，DAC-3N仍保持1.6 MPa强度，而DAC-2N仅0.4 MPa。
- 机制：支链TAEA形成三维交联网络，共价键（C=N）与非共价键（氢键、疏水作用）协同增强耐水性（图9）。
五、结论与价值
科学价值
- 首次系统比较了支链与线性胺交联DAC的差异，揭示了支链结构对胶粘剂性能的增强机制。
- 为生物基胶粘剂设计提供了新思路：通过调控交联网络密度优化性能。
应用价值
- DAC-3N胶粘剂可替代甲醛基树脂，适用于家具、建筑等领域，兼具高强度（2.74 MPa）和耐水性（沸水浸泡后1.6 MPa）。
- 使用可再生纤维素原料，符合可持续发展需求。
六、研究亮点
1. 创新方法：通过席夫碱反应构建致密交联网络，结合共价与非共价键提升性能。
2. 性能突破：DAC-3N的湿态强度（1.81 MPa）超过多数文献报道的生物基胶粘剂（如大豆蛋白基胶粘剂1.07 MPa）。
3. 环保性：全过程无甲醛释放，原料来自可再生纤维素。
七、其他价值
- 研究团队开发的40%固含量配方可直接应用于工业生产线，降低了规模化生产成本。
- 该成果为后续研究支链生物基聚合物（如木质素衍生物）提供了参考模板。
（全文约2000字）