基于环氧基功能化纤维素的高耐湿性粘合剂研究学术报告

一、研究团队与发表信息
本研究由天津工业大学材料科学与工程学院分离膜与膜过程国家重点实验室的Fengying Dai、Haochen Liu等团队合作完成，发表于*International Journal of Biological Macromolecules*（2024年8月）。研究聚焦于开发一种环保型高耐湿纤维素基粘合剂，以解决传统工业粘合剂不可再生、有害健康的问题。

二、学术背景与研究目标
纤维素（cellulose）是自然界最丰富的天然聚合物，但其固有的亲水性（hydrophilicity）限制了在高湿环境中的应用。传统粘合剂（如三聚氰胺甲醛MF、酚醛树脂PF）虽性能优异，但依赖不可再生资源且释放挥发性有机物（VOCs）。本研究旨在通过原子转移自由基聚合（ATRP）技术对微晶纤维素（MCC）进行环氧基改性，制备兼具高粘结强度和耐湿性的粘合剂，并探索其在木材、金属、玻璃等多基材上的普适性。

三、研究流程与方法
1. 材料合成
- MCC-BiBB制备：将MCC溶解于离子液体[Bmim]Cl/DMF混合溶剂中，与α-溴代异丁酰溴（BiBB）在0°C下反应16小时，引入ATRP引发位点。
- MCC-g-PGMA粘合剂合成：以MCC-BiBB为引发剂，CuBr/PMDETA为催化体系，通过ATRP接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA），合成三种不同接枝度（24%、57%、74%）的粘合剂（表1）。

1. 结构表征

   • FT-IR与1H NMR：验证酯基（1746 cm⁻¹）和环氧基（905 cm⁻¹）的成功引入（图2b-d）。
     
   • XPS分析：证实表面元素组成变化，C-O-C（286.39 eV）和O=C-OH（289.04 eV）峰增强（图3a-g）。
     

2. 性能测试

   • 热性能：DSC显示MCC-g-PGMA74的固化温度为101.1°C，TG表明其分解起始温度为184.1°C（图3h-i）。
     
   • 粘结强度：按GB/T 9846-2015标准测试，160°C热压条件下，干态强度达6.02±0.26 MPa，63°C水浸3小时后湿态强度为4.78±0.21 MPa（图4a-f）。
     
   • 耐湿性：30天浸泡后木材粘结强度保持3.74±0.51 MPa（图6d-e），水接触角达125.4±0.5°（图6c）。
     

3. 机理分析

   • 环氧基与木材表面羟基形成共价键（图5），同时通过疏水作用减少水分子渗透。
     

四、主要结果与逻辑关联
1. 接枝度影响：接枝度74%的粘合剂表现出最优性能，归因于环氧基密度增加和疏水链延长。
2. 热压条件优化：160°C热压温度下粘合剂完全固化，过高温度导致降解（图4c）。
3. 多基材适用性：对铝、铁、玻璃的粘结强度分别为1.32 MPa、1.17 MPa、0.84 MPa（图6a），证实其普适性。

五、研究结论与价值
1. 科学价值：首次通过ATRP技术将环氧基引入纤维素骨架，构建自交联网络，解决了纤维素粘合剂耐湿性差的难题。
2. 应用价值：为生物基粘合剂在建筑、包装等潮湿环境中的应用提供了新方案，且原料可再生、工艺环保。

六、研究亮点
1. 创新方法：结合ATRP与环氧改性，实现粘合剂内聚能与界面粘结的同步提升。
2. 性能突破：湿态强度较传统醛基纤维素粘合剂（如DAC-PEI的1.51 MPa）显著提高（表2）。
3. 多场景适配：在-30°C至高温高湿环境中均表现稳定（图6i）。

七、其他发现
粘合剂在90%湿度下强度保持5.85±0.27 MPa（图4b），表明其适用于极端气候地区。此外，低溶胀率（12.5%）进一步保障了长期耐久性（图6b）。

（注：全文引用数据及图表均来自原文献，实验细节可参考原文补充材料。）