学术研究报告：新型环保尿素-乙二醛树脂（HUG树脂）的制备与性能表征

作者与发表信息
本研究由Long Cao、Antonio Pizzi、Qianyu Zhang等作者合作完成，发表于*European Polymer Journal*第162卷（2022年1月5日），论文标题为《Preparation and characterization of a novel environment-friendly urea-glyoxal resin of improved bonding performance》。

学术背景

科学领域与问题背景
本研究属于高分子材料与木材胶黏剂领域。传统脲醛树脂（UF树脂）因含甲醛（formaldehyde）存在毒性和致癌风险，其应用受到限制。尽管已有研究尝试用乙二醛（glyoxal）等环保醛类替代甲醛制备尿素-乙二醛树脂（UG树脂），但现有UG树脂的粘结性能（bonding performance）和耐水性（water resistance）较差，难以满足工业需求。

研究目标
本研究旨在开发一种新型无甲醛环保树脂——尿素-六亚甲基二胺-乙二醛树脂（HUG树脂），通过引入六亚甲基二胺（hexamethylene diamine, H）与尿素（urea, U）预聚形成聚脲结构（polyurea），再与乙二醛（glyoxal, G）交联，以提升树脂的粘结强度和耐水性，替代传统UF树脂。

研究流程与方法

1. HUG树脂的合成
- 原料与配比：尿素、六亚甲基二胺（H/U摩尔比分别为2.0、1.0、0.5）与40%乙二醛溶液。
- 步骤：
- 预聚反应：尿素与六亚甲基二胺在70°C下混合，升温至120°C反应4小时，生成白色固体聚脲（HU）。
- 交联反应：将HU粉末与乙二醛溶液（pH=4.5）在90°C下反应1小时，形成HUG树脂。
- 关键创新：通过预聚反应引入聚脲结构，增强分子链交联密度，解决了传统UG树脂聚合度低的问题。

2. 树脂表征
- 傅里叶红外光谱（FTIR）：确认树脂中C=O（1690 cm⁻¹）、C-N（1460 cm⁻¹）等特征峰，证明氨基与乙二醛的成功反应。
- 电喷雾质谱（ESI-MS）：分析HU预聚物的分子量分布（如159 Da、258 Da等），验证聚脲结构的形成。
- 动态热机械分析（DMA）：测试树脂的储能模量（storage modulus），HUG2树脂在170°C前表现出最高模量，表明其优异的交联性能。
- 热重分析（TGA）：HUG2树脂在160–475°C阶段失重75.4%，表明其热稳定性与完全交联特性。

3. 粘结性能测试
- 样品制备：以杨木单板（poplar veneer）为基材，胶黏剂涂布量260 g/m²，热压条件为150°C、1.5 MPa、3分钟。
- 测试标准：依据中国国家标准GB/T 14074（2006）和GB/T 17657（2013），测量干强度（dry strength）、24小时冷水浸泡湿强度（24h wet strength）及63°C热水浸泡湿强度（hot water strength）。

主要结果

1. 粘结性能：

   • HUG2树脂（H/U=1）表现最佳，干强度、24小时湿强度、热水强度分别为1.18 MPa、1.70 MPa、0.92 MPa，均超过中国标准GB/T 9846-2015的要求（≥0.7 MPa）。
     
   • 失效模式：干态测试中，破坏发生在木材而非胶层，证明胶黏剂的高粘结强度。
     

2. 耐水性机制：

   • HUG2树脂因聚脲-乙二醛交联网络致密，减少了水解（hydrolysis）风险；而HUG1树脂因过量乙二醛形成易水解的缩醛结构（acetal structure），导致耐水性下降。
     

3. 结构分析：

   • ESI-MS显示HUG2树脂中存在分支结构（如499 Da、660 Da），证实乙二醛与聚脲的多位点交联。
     
   • DMA表明HUG2树脂的固化反应速率最快，与其高粘结性能一致。
     

结论与价值

1. 科学价值：

   • 提出了一种无甲醛树脂合成新策略，通过聚脲预聚与乙二醛交联，解决了UG树脂聚合度低的根本问题。
     
   • 揭示了树脂耐水性与分子结构的关系，为环保胶黏剂设计提供理论依据。
     

2. 应用价值：

   • HUG树脂可替代UF树脂，用于胶合板（plywood）等木质复合材料生产，满足环保与工业性能需求。
     
   • 合成工艺简单，原料成本可控，具备工业化潜力。
     

研究亮点

1. 创新性方法：首次将六亚甲基二胺引入UG树脂体系，通过预聚-交联两步法提升性能。
   
2. 性能突破：HUG2树脂的24小时湿强度（2.65 MPa）远超文献报道的UG树脂（通常 MPa）。
   
3. 多尺度表征：结合FTIR、ESI-MS、DMA和TGA，全面解析树脂结构与性能关联。
   

其他价值

• 研究团队验证了HUG树脂在三层胶合板中的应用可行性，进一步支持其工业化前景。
  
• 论文提供了详细的合成参数与测试数据，为后续研究提供可重复性参考。
  

（报告字数：约1800字）