基于大豆粕和木材热解生物油的完全生物基木材胶黏剂研究学术报告
一、研究团队与发表信息
本研究由Huan Chen（第一作者）、Qiao Wu、Xueyong Ren、Xianchao Zhu及通讯作者Dongbin Fan合作完成，发表于《Chemical Engineering Journal》（2024年8月15日，Volume 494, 153198）。研究受到中国林业科学研究院基础研究基金（CAFYBB2022ZB003）的支持。
二、学术背景与研究目标
研究领域：本研究属于生物基材料与绿色胶黏剂开发领域，聚焦于解决传统石油基胶黏剂（如酚醛树脂、脲醛树脂）因甲醛释放和不可再生性导致的环保问题。
研究背景：
1. 环保需求：传统胶黏剂依赖石油资源且释放甲醛等有害物质，而生物基胶黏剂（如大豆蛋白、淀粉基）虽环保但存在粘结强度低、耐水性差、易霉变等问题。
2. 科学问题：如何通过绿色改性策略提升大豆粕（Soybean Meal, SM）胶黏剂的性能，并确保其经济可行性？
3. 目标：开发一种完全生物基的木材胶黏剂，兼具高湿态粘结强度（≥0.7 MPa）、抗霉性及低环境足迹，并验证其工业化潜力。
三、研究流程与实验设计
研究分为以下核心步骤：
1. 材料制备与改性
- 原料：脱脂大豆粕（蛋白质含量52.2%）、木材热解生物油（含水33%）、杨木单板。
- 胶黏剂制备：
- 对照组（SM）：大豆粕粉与水混合分散。
- 实验组（SM-bio）：在SM中加入4%-16%生物油（SM-bio4至SM-bio16），通过高速搅拌实现交联。生物油作为交联剂和抗霉剂，其酚类化合物（占54.27%）与大豆蛋白反应形成致密网络结构。
2. 结构表征与分析
- 化学结构：
- FTIR（傅里叶变换红外光谱）：检测到生物油引入后，酰胺I区（1651 cm⁻¹）和羧酸盐（1402 cm⁻¹）峰位移，表明氢键形成。
- 固态13C NMR：生物油中酚类（110-140 ppm）的芳环碳信号证实其成功嵌入胶黏剂网络。
- 微观形貌（SEM）：纯SM胶黏剂截面多孔松散，而SM-bio12组断面致密无孔隙，证实生物油填充了结构缺陷。
3. 性能测试
- 粘结强度：
- 湿态强度：SM-bio12的湿态强度达0.94 MPa（较纯SM提升487.5%），满足GB/T 17657-2013标准。
- 木材破坏率：SM-bio12达89%，表明胶层强度高于木材本身。
- 抗霉性：在28°C、90%湿度下15天，SM-bio组无霉变，而纯SM在72小时内完全霉变，归因于生物油中的邻甲酚等抑菌成分。
- 热稳定性（TGA）：SM-bio16的最大降解温度提升至309°C，残炭率从28.85%增至32.08%。
4. 环境与经济评估
- 生命周期评估（LCA）：以1 kg胶黏剂为功能单位，SM-bio的全球变暖潜力（GWP）为1.62 kg CO₂当量，低于传统胶黏剂（如脲醛树脂）。
- 技术经济分析（TEA）：最小售价（MASP）为822美元/吨，低于商用胶黏剂（1200-1500美元/吨）。
四、研究结果与逻辑链条
- 生物油交联机制：酚羟基与大豆蛋白的氨基/羧基反应，形成三维网络，提升耐水性和强度。
- 性能提升证据：
- 湿态强度提升依赖于生物油添加量（最佳为12%），过量（16%）则因亲水组分导致性能下降。
- 抗霉性直接关联生物油中酚类（如2-甲氧基-4-甲基苯酚）的抗菌活性。
- 环境优势：生物油和大豆粕的可再生性使SM-bio的非可再生资源能耗（9.118 MJ/kg）显著低于石油基胶黏剂。
五、结论与价值
科学价值：
- 提出了一种基于生物油交联的绿色改性策略，阐明酚类化合物增强大豆蛋白胶黏剂的分子机制。
- 首次系统评估了生物基胶黏剂从制备到应用的全生命周期环境影响。
应用价值：
- 为木材复合材料（如胶合板）提供了一种高性能、低成本且可持续的胶黏剂替代方案。
- 推动了农林废弃物（如热解生物油）的高值化利用。
六、研究亮点
- 性能突破：湿态强度（0.94 MPa）和抗霉性同步解决行业瓶颈问题。
- 方法创新：利用生物油兼具交联与抗菌功能的“一石二鸟”设计。
- 跨学科整合：结合材料化学（FTIR/NMR）、环境科学（LCA）与工程经济学（TEA）。
七、其他价值
该研究为生物基胶黏剂的工业化提供了数据支撑，未来可拓展至其他植物蛋白基质（如玉米蛋白）的改性研究。