学术研究报告：室温固化纤维素胶黏剂通过冻融诱导原位交联实现木材与竹材的高效粘接

作者及发表信息
本研究的通讯作者为西南林业大学的Kelu Ni、Ping Wang和Long Yang，主要作者包括Chunyan Yin、Hongxing Yang等。研究成果发表于ACS Sustainable Chemistry & Engineering期刊2025年第13卷，页码3774-3784。

学术背景
纤维素基胶黏剂因其原料丰富、成本低廉，是生物基木材胶黏剂领域的重要发展方向。然而，现有纤维素胶黏剂在室温固化条件下难以兼具高粘接强度和耐水性。传统热固化胶黏剂（如酚醛树脂、异氰酸酯胶黏剂）存在能耗高、热传递效率低等问题，而室温固化胶黏剂（如甲醛基、环氧树脂类）又依赖不可再生的石油基原料，且挥发性有机物（VOCs）污染严重。因此，开发一种室温固化、高性能且环保的纤维素基胶黏剂具有重要科学意义和应用价值。本研究旨在通过冻融诱导原位交联策略，将胺化纤维素（aminated cellulose, AC）与环氧化纤维素（epoxidized cellulose, EC）结合，构建微纳米尺度的双重交联网络，实现高强耐水的粘接性能。

研究流程与方法
1. 材料合成与表征
- 胺化纤维素（AC）的制备：以微晶纤维素（MCC）为原料，通过两步亲核取代反应合成。首先在120°C下将MCC与二甲基乙酰胺（DMAc）混合，加入氯化锂（LiCl）后与对甲苯磺酰氯反应生成甲苯磺酰纤维素（TC），再与己二胺（HMDA）反应得到AC。通过元素分析计算取代度（DS），优化后DS为0.55。
- 环氧化纤维素（EC）的制备：MCC与环氧氯丙烷在四丁基溴化铵催化下反应，经氢氧化钠闭环得到EC，通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和核磁共振（13C NMR）验证环氧基团的引入。
- 胶黏剂制备：将AC与EC按重量比1:0.2混合，在氢氧化钠溶液中冻融处理（-18°C冷冻4小时），形成化学交联（胺基-环氧基开环反应）与物理交联（纤维素链结晶）的双重网络。

1. 性能测试与表征
   
   • 粘接强度测试：采用搭接剪切试验（GB/T 17657-2022标准），测试竹材与不同木材（松木、杉木、桉木、榉木）的干态、热水（3小时煮沸）和沸水粘接强度。最优配比（AC1-EC0.2）的竹材湿剪切强度达3.95 MPa，显著高于传统纤维素胶黏剂（ MPa）。
     
   • 结构分析：通过X射线衍射（XRD）和广角X射线散射（WAXS）揭示冻融过程中纤维素链的结晶行为；扫描电镜（SEM）显示AC-EC胶黏剂形成纳米球状填充结构，增强界面结合力。
     
   • 热稳定性与成本分析：热重分析（TGA）表明AC-EC胶黏剂在600°C残重率达46.9%，优于单一组分；成本计算显示其吨价较异氰酸酯胶黏剂低6%，且室温固化无需额外能耗。
     

主要结果
1. 化学与物理交联协同效应：FT-IR和13C NMR证实AC的胺基与EC的环氧基在碱性条件下开环形成共价键，同时冻融过程诱导纤维素链参与结晶，形成微纳米尺度的物理交联点（图3f-g）。这种双重网络结构显著提升胶黏剂的耐水性和机械强度。
2. 粘接性能优化：AC与EC比例为1:0.2时，竹材的沸水剪切强度达3.09 MPa，满足国家标准（GB/T 17657-2022）。而单一AC胶黏剂在沸水中完全失效（图4e）。
3. 普适性与应用验证：胶黏剂适用于多种木材和竹材，冷压固化后可直接承载成人重量（102.5 kg，图4h），并可用于家具和建筑材料的组装（图4i）。

结论与价值
本研究通过冻融诱导原位交联策略，首次实现了室温固化纤维素胶黏剂的高强度与耐水性，其科学价值在于：
1. 机制创新：揭示了化学交联与物理结晶协同增强的机理，为生物基胶黏剂设计提供新思路。
2. 应用潜力：胶黏剂生产成本低、能耗少（无需热压），可减少人造板行业30%的碳排放，助力绿色制造。
3. 扩展性：该策略可推广至其他多糖基材料（如壳聚糖、淀粉）的功能化改性。

研究亮点
1. 双重交联网络：首次将冻融结晶物理交联与化学交联结合，突破纤维素胶黏剂耐水性差的瓶颈。
2. 室温固化工艺：相比传统热压（140°C、6分钟），冷压固化节省能源且适用于大规模生产。
3. 全生物基原料：避免石油基单体的使用，符合可持续发展需求。

其他有价值内容
研究还对比了AC-EC胶黏剂与文献报道的多种生物基胶黏剂（如大豆蛋白、木质素基）的性能（图5a），证明其湿强度优势。此外，通过电镜观察界面结合机制（图3e），发现AC填充EC骨架形成的致密结构是高性能的关键。