本研究由中国西南林业大学材料科学与工程学院（Yunnan Key Laboratory of Wood Adhesives and Glue Products）的Yifan Xu、Qianyu Zhang等学者联合浙江农林大学（Hong Lei）、法国洛林大学（Antonio Pizzi）等国际团队共同完成，成果发表于2024年6月的《Industrial Crops & Products》期刊（卷218，文章编号119037）。
学术背景
研究领域聚焦于生物质基木材胶黏剂的开发。尿素-甲醛树脂（UF resin）是木材工业中应用最广泛的胶黏剂，占市场份额80%以上，但其释放的甲醛对环境和人体健康存在显著危害。尽管已有研究尝试通过减少甲醛用量或替换为丙醛（propionaldehyde）、戊二醛（glutaraldehyde）等石油基醛类来降低毒性，但这些替代品仍存在不可再生、部分有毒等问题。因此，开发以生物质为原料、无甲醛释放的环保型氨基树脂成为迫切需求。本研究旨在利用葡萄糖氧化生成的生物基醛类（bioaldehydes）与尿素反应，研制一种新型生物基氧化葡萄糖-尿素树脂（oxidized glucose-urea resin, OGU），以完全替代传统UF树脂。
研究方法与流程
OGU树脂合成
- 氧化反应：在室温下将葡萄糖（20 g）与高碘酸钠（2 g）溶于蒸馏水（10 g），调节pH至2、4、6三种条件，反应45分钟生成生物基醛类。
- 缩聚反应：加入尿素（摩尔比葡萄糖:尿素为0.5:1至2:1），90℃下反应110分钟，制备不同pH和配比的OGU树脂。通过粘度计和固含量测试表征树脂性质（粘度245.7–271.8 mPa·s，固含量72–78%）。
胶合性能测试
- 胶合板制备：以杨木单板（400 mm×400 mm×2 mm）为基材，涂布量270 g/m²，热压条件为200℃、1.0 MPa、5分钟。
- 力学测试：按中国标准GB/T 17657–2022检测干态、24小时冷水浸泡和3小时63℃热水浸泡后的剪切强度，每组重复7次。
结构表征与机理分析
- FTIR与XPS：通过红外光谱（1721 cm⁻¹处醛基特征峰）和X射线光电子能谱（醛碳结合能从288.4 eV降至286.3 eV）证实葡萄糖氧化生成醛基，并与尿素氨基形成C-N结构。
- LC-MS：检测到176 Da和282 Da的化合物，表明葡萄糖醛与尿素发生缩合反应，形成支链聚合物。
- 热分析（DSC/DMA/TG）：通过差示扫描量热法（DSC）确定最佳固化温度为120℃（pH=4时），动态力学分析（DMA）显示OGU-1:1的储能模量最高（5300 MPa），热重分析（TG）表明其热稳定性优于传统UF树脂。
主要结果
- 胶合性能：pH=4、尿素:葡萄糖摩尔比1:1时，OGU树脂表现最优——干态强度0.99 MPa，冷水浸泡强度0.77 MPa，热水浸泡强度0.76 MPa，均达到中国GB/T 9846–2015二类板标准（≥0.7 MPa）。而过量尿素（如1:2）会因残留尿素水溶导致性能下降。
- 反应机制：高碘酸钠氧化葡萄糖生成醛基（C=O），在酸性条件下与尿素缩合形成亚甲基桥（-CH₂-）和醚键（C-O-C），构成三维交联网络（图4）。
- 热性能：OGU树脂在150–550℃阶段失重65%，主要源于分子链降解，但pH=4样品的残炭率高于其他条件，表明交联密度更高。
结论与价值
本研究成功开发出一种无甲醛、生物基的OGU树脂，其胶合性能与UF树脂相当，且完全避免了甲醛释放。科学价值在于：
1. 绿色化学：以可再生葡萄糖替代石油基醛类，符合可持续发展理念。
2. 工艺优化：pH=4和1:1摩尔比为最佳合成条件，为工业化生产提供参数依据。
3. 应用潜力：可直接用于胶合板工业，尤其适合对环保要求严格的室内建材。
研究亮点
- 创新性原料：首次利用氧化葡萄糖与尿素缩合制备全生物基氨基树脂。
- 多尺度表征：联合LC-MS与XPS揭示了C-N结构的形成机制。
- 性能平衡：在无甲醛的前提下，水抗性（热水浸泡强度0.76 MPa）超越多数改性UF树脂。
其他发现
DMA曲线显示（图7），OGU树脂在高温（>200℃）下模量下降，可能与木材炭化和树脂降解协同作用有关，这为后续改进高温稳定性提供了方向。
本研究得到中国国家自然科学基金（32260358）和云南省重点实验室开放基金（2021KFJJ003）资助。