本研究由Chengxin Xie、Lanlan Su、Zhendong Deng、Wandi Zhai、Xiangchao Pang、Xiaofeng Hao和Yuan Zhu共同完成，发表于2025年12月的期刊《Sustainable Materials and Technologies》第46卷，文章编号e01669。研究团队来自中国多所高校和研究机构，主要关注生物基材料在环保胶黏剂领域的应用。
学术背景
该研究聚焦于水性聚氨酯（Waterborne Polyurethane, WPU）胶黏剂在胶合板工业中的应用瓶颈。传统石油基胶黏剂（如酚醛树脂和脲醛树脂）虽然性能优异且成本低廉，但其挥发性有机化合物（VOC）排放，尤其是甲醛，对健康和环境构成严重威胁。水性聚氨酯作为一种环保替代品，因其优异的柔韧性和对多种基材的粘附性而受到关注。然而，未改性的WPU胶黏剂力学性能不足且耐水性差，限制了其在胶合板行业的广泛应用。
本研究旨在通过引入一种生物基分子——山梨醇单油酸酯（Sorbitan Monooleate, SP）作为双功能交联剂，解决WPU胶黏剂机械强度低和耐水性差的问题。SP的分子结构独特，包含协同的多羟基基团和长疏水性油酸链，能够在水性聚氨酯体系中构建致密的三维网络结构（缩写为WPU-SP），从而提升胶黏剂的力学性能和疏水性。
研究流程
制备WPU-SP胶黏剂乳液
- 原料：聚丙二醇（PPG）、甲苯二异氰酸酯（TDI）、1,4-丁二醇（BDO）、SP、二甲基丙酸（DMPA）等。
- 合成方法：采用预聚体法，在氮气保护下，将脱水后的PPG、SP和TDI在75°C下反应2.5小时，加入催化剂二丁基锡二月桂酸酯（DBTDL）。随后加入DMPA和BDO，继续反应至目标异氰酸酯（-NCO）含量（10%）。最后通过三乙胺（TEA）中和并乳化，得到WPU-SP乳液。
- 样品制备：通过调整SP含量（0%、2%、4%、6%、8%、10%）制备了一系列WPU-SP胶黏剂，并测试其稳定性。
胶合板制备与性能测试
- 涂布与热压：将WPU-SP乳液均匀涂布于木单板（桉木）上，涂布量为170 g/m²，组装成七层胶合板结构，在80°C、1.6 MPa压力下热压20分钟。
- 力学性能测试：使用万能试验机测试静态弯曲强度、杨氏模量和粘结强度。
- 耐水性测试：通过沸水浸泡（100°C，4小时）和干燥循环评估胶合板的耐水性和分层率。
材料表征
- 微观结构分析：扫描电子显微镜（SEM）观察胶黏剂与木材界面的结合情况。
- 热力学性能：动态力学分析（DMA）测定胶黏剂薄膜的储能模量（E’）和玻璃化转变温度（Tg）。
- 化学结构分析：傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）验证SP与WPU的化学键合。
主要结果
力学性能提升
- 优化后的WPU-SP胶合板的静态弯曲强度和粘结强度分别提升了435.7%和299.0%，远超未改性WPU组。
- 杨氏模量从22.30 MPa（WPU-SP0）提升至72.50 MPa（WPU-SP10），表明SP显著增强了胶黏剂的刚性和负载能力。
耐水性显著改善
- WPU-SP10胶合板的分层率从58.67%（未改性WPU）降至3.92%，体积膨胀系数从30.57%降至0.52%。
- 疏水性油酸链迁移至界面形成保护层，有效阻隔水分渗透。
微观机制验证
- FTIR和XPS证实SP通过羟基与WPU的-NCO基团形成共价键，构建了致密交联网络（交联密度达215.06 mol/m³）。
- SEM显示高SP含量的胶黏剂与木材界面结合更紧密，无明显缺陷。
结论与意义
本研究通过分子设计将生物基SP作为多功能交联剂，成功解决了WPU胶黏剂机械强度低和耐水性差的核心问题。其科学价值在于：
1. 提出了一种绿色、可规模化的高性能胶黏剂改性策略，符合可持续发展需求。
2. 揭示了SP通过化学交联和界面疏水化协同提升性能的机制，为生物基材料在聚合物改性中的应用提供了新思路。
实际应用价值包括：
- 胶合板的力学和耐水性能达到工业标准（如EN 314 Class 1），适用于建筑和家具制造。
- 避免了传统交联剂（如多异氰酸酯和氮丙啶）的毒性和高成本问题。
研究亮点
- 性能突破：SP改性使胶黏剂的粘结强度和耐水性达到商用聚氨酯胶黏剂的水平（3.03 MPa vs. 1.50–2.20 MPa）。
- 方法创新：首次将SP作为双功能交联剂应用于WPU体系，兼具交联密度提升和界面疏水化作用。
- 环保性：全流程使用生物基原料，降低对石油资源的依赖。
其他有价值内容
研究还探讨了SP含量对乳液稳定性的影响，发现即使SP含量达10%，乳液仍保持良好稳定性（Zeta电位绝对值>30 mV），为工业化生产提供了可行性依据。