超强木材粘接界面的化学共价交联新策略
作者及发表信息
该研究由Hang Su、Guanben Du（通讯作者）等来自中国科研团队的研究人员完成，发表于2022年12月的期刊 *Industrial Crops and Products*（Volume 189, 115800）。研究团队通过化学共价交联技术，开发了一种基于醛胺反应的超强木材粘接界面系统。
学术背景
木材作为一种天然环保材料，广泛应用于建筑和日用品领域。然而，传统木材粘接界面依赖物理机械互锁或弱极性相互作用，在湿热环境下易因水分侵入导致粘接失效。现有研究多聚焦于粘合剂本身的改进，而对木材界面与粘合剂之间的化学相互作用关注不足。本研究提出“化学木材粘接界面（Wood Chemical Bonding Interface, WCBI）”新概念，通过定向修饰木材表面醛基（-CHO）并与多胺（Polyamine, PA）粘合剂形成共价键（亚胺C=N和缩醛胺N-C-N），从而显著提升粘接强度和耐水性。
研究流程与方法
活化木材界面（Activated Wood Interface, AWI）的制备
- 方法：采用高碘酸钠（NaIO₄）溶液喷涂木材表面，氧化纤维素和半纤维素中的羟基（-OH）为醛基（-CHO）。
- 验证：通过ATR-FTIR（衰减全反射傅里叶变换红外光谱）确认1720 cm⁻¹处醛基特征峰；X射线衍射（XRD）显示木材结晶度下降，表明部分结晶区转化为非晶区。
多胺粘合剂（PAₓ）的合成与表征
- 设计：合成具有4、5、6、7个末端氨基（-NH₂）的超支化多胺（PA₄ₙ、PA₅ₙ等），其低分子量利于渗透至木材细胞壁。
- 性能测试：黏度和pH值测定（图S2-S3），证实PAₓ具备适宜流动性和反应活性。
胶合板制备与性能测试
- 工艺：在110°C（低温热压）下将PAₓ涂布于AWI表面，压制三合板（5.5 mm厚）。
- 测试标准：依据GB/T 17657-2013，进行干态、63°C热水浸泡3小时、沸水煮4小时等苛刻条件测试。
- 关键数据：PA₇ₙ粘接强度达1.96 MPa（“4+4+1”测试：沸水煮4小时→烘干20小时→二次沸水煮4小时→冷水浸泡1小时）。
界面机理表征
- 纳米尺度分析：
- AFM（原子力显微镜）：显示PAₓ渗透使木材细胞壁高度从6 nm增至10 nm，表面粗糙度降低。
- SEM（扫描电镜）：观察到细胞壁从多孔结构变为致密填充结构。
- 化学键验证：XPS（X射线光电子能谱）检测到287.1 eV（C=N）和288.6 eV（N-C-N）峰，证实亚胺和缩醛胺共价键形成。
主要结果与逻辑链条
- 醛基活化效果：NaIO₄处理使木材表面接触角从41°降至29°，提升PAₓ润湿性（图3d-f）。
- 粘接强度提升：PA₇ₙ在苛刻测试后强度达1.96 MPa，远超传统粘合剂（如UF树脂）的0.7 MPa标准。
- 耐水机制：共价交联网络阻止水分侵入细胞壁，而PAₓ填充使界面密度从500 kg/m³增至1400 kg/m³（图9）。
结论与价值
- 科学价值：首次通过醛胺共价交联构建WCBI，阐明纳米尺度化学键对界面强度的决定性作用。
- 应用价值：
- 环保性：无甲醛释放，符合严格环保标准。
- 低温工艺：110°C热压温度降低能耗。
- 耐久性：适用于湿热环境下的高端木制品。
研究亮点
- 创新界面设计：通过“木材表面活化+特异性粘合剂”协同策略，突破传统物理粘接局限。
- 多尺度表征：结合AFM、SEM、XPS从纳米至宏观尺度解析界面结构。
- 超强性能：PA₇ₙ的1.96 MPa强度为同类研究中最高记录之一。
其他发现
- 分支度效应：PAₓ末端氨基数量与粘接强度正相关（PA₄ₙ: 0.84 MPa → PA₇ₙ: 1.96 MPa）。
- 破坏模式：失效多发生于木材基体而非粘接界面，表明界面强度已超过木材本身。
该研究为木材基材料的耐久性粘接提供了新范式，未来可扩展至竹材、透明木材等衍生领域。