基于木聚糖的生物基热熔胶：高性能与可重复使用的可持续粘合剂
1. 研究团队与发表信息
本研究由北京林业大学“林木生物质材料与能源教育部工程研究中心”的Ziwen Lv、Xueqing Yan、Siyu Jia、Jing Pan、Xiang Hao、Gegu Chen、Baozhong Lü、Jun Rao（通讯作者）及Feng Peng（通讯作者）团队完成，发表于*Nature Sustainability*期刊（2025年5月在线发表，DOI: 10.1038/s41893-025-01579-9）。
2. 学术背景
科学领域：本研究属于生物质材料与可持续粘合剂领域，聚焦于利用工业副产品开发环保高性能粘合剂。
研究动机：传统石油基粘合剂（如环氧树脂、乙烯-醋酸乙烯酯EVA）在生产和使用过程中存在健康与环境风险，且不可回收。而现有的生物基粘合剂（如大豆蛋白、淀粉基）普遍存在强度低、耐水性差或不可重复使用的问题。木聚糖（xylan）作为制浆工业的副产品，因其天然的多羟基结构和可修饰性，成为潜在的高性能粘合剂原料。
研究目标：通过氧化还原反应改性木聚糖，开发一种兼具高强度、快速固化、可重复使用和生物相容性的热熔胶（hot-melt adhesive, HMA），并解析其粘合机制。
3. 研究流程与实验方法
3.1 木聚糖粘合剂的合成与表征
- 氧化阶段：以制浆副产木聚糖为原料，在40℃下用高碘酸钠（NaIO₄）选择性氧化其C2-C3位羟基生成二醛木聚糖（dialdehyde xylan, DAX），产率52.93–65.37%。
- 还原阶段：用硼氢化钠（NaBH₄）将DAX的醛基还原为羟基，得到二醇木聚糖（reduced DAX, rDAX），即木聚糖热熔胶（xylan adhesive, XA）。通过调控氧化程度，XA的额外羟基含量为4.57–8.55 mmol/g。
- 表征技术：
- 差示扫描量热法（DSC）显示XA的玻璃化转变温度（Tg）低至−13.2°C，赋予其室温下的柔性和热熔流动性。
- 流变学测试确定XA的最小涂布温度为48°C，功能区间为14.8–48°C。
- 分子动力学模拟证实木聚糖链在氧化还原后构象灵活性显著提升，有利于界面粘附。
3.2 粘合性能测试
- 基材多样性：测试XA对不锈钢、铝、竹材、榉木、白蜡木、黑胡桃木等基材的拉伸剪切强度（lap-shear strength）。黑胡桃木的粘合强度最高（30.06±1.14 MPa），超越环氧树脂（24.07±0.84 MPa）和EVA（5.71±0.50 MPa）。
- 快速固化：XA在105°C下5分钟内即可固化，而商业粘合剂需数小时。
- 低温性能：在−25°C下保持14 MPa的强度，创生物基粘合剂低温性能记录。
3.3 可重复使用性评估
XA通过简单加热即可重复粘合，10次循环后强度仍超过初始值的100%。相比之下，传统热固性粘合剂无法回收。
3.4 胶合板制备与力学性能
以XA粘合的三层黑胡桃木胶合板，其弹性模量（MOE）和断裂模量（MOR）分别为10,370±264 MPa和71±13 MPa，符合中国国家标准（GB/T 9846-2015）。
3.5 粘合机制解析
- 扫描电镜（SEM）显示XA在木材表面形成致密薄膜并渗透导管孔隙，形成机械互锁。
- 傅里叶变换红外显微成像（FTIR microscopy）证实XA与木材间通过氢键和范德华力结合。
- 毒性测试：MTT法显示XA对细胞存活率>85%，生物相容性优异。
4. 主要结果与逻辑关联
- 合成优化：通过调控氧化程度，XA的Tg与粘合强度呈负相关，低Tg（−13.2°C）赋予其优异的流动性和界面浸润能力。
- 性能突破：30 MPa的粘合强度源于分子链柔性提升和氢键网络协同作用，而可重复使用性归因于热可逆的物理交联。
- 应用验证：胶合板测试表明XA可替代酚醛树脂，满足工业需求。
5. 研究结论与价值
科学价值：
- 首次将木聚糖转化为高性能热熔胶，提出“分子链柔性设计”策略。
- 阐明了生物基粘合剂中氢键网络与机械性能的构效关系。
应用价值：
- 为制浆副产品高值化利用提供新途径，降低对石油资源的依赖。
- XA的快速固化、可重复使用和低温适应性使其在电子封装、医疗等领域具潜力。
6. 研究亮点
- 性能记录：XA的粘合强度（30 MPa）和低温性能（−25°C下14 MPa）为生物基粘合剂最高值。
- 方法创新：开发连续氧化还原工艺，克服传统生物基粘合剂复杂制备的缺陷。
- 可持续性：生命周期评估（LCA）显示XA的碳排放（10.67 kg CO₂e/kg）虽高于EVA，但可通过优化试剂回收进一步降低。
7. 其他价值
研究揭示了木聚糖相较于纤维素（如二醇纤维素rDAC）在粘合剂应用中的优势：主链羟基的缺失使其更易实现低Tg和高柔性，为生物质材料设计提供新思路。