这项研究由Xiang-Fei Zhao（西北民族大学化工学院）、Lan-Qin Peng（兰州大学地质科学与矿产资源学院）、Hong-Ling Wang、Yan-Bin Wang和Hong Zhang（均来自西北民族大学化工学院）共同完成，题为《Environment-friendly urea-oxidized starch adhesive with zero formaldehyde-emission》，发表于《Carbohydrate Polymers》期刊，并于2017年11月10日被接受发表。
学术背景
研究领域属于绿色材料科学与黏合剂工程。传统脲醛树脂（urea-formaldehyde resin, UF）黏合剂因其优异的黏合性能和低成本被广泛应用于木材加工行业，但其甲醛释放问题对健康和环境构成严重威胁。尽管已有多种方法尝试降低甲醛释放（如添加剂改性），但均未能从根本上解决这一问题。本研究旨在开发一种以天然玉米淀粉为原料、通过氧化淀粉与尿素缩聚反应制备的零甲醛释放的环保黏合剂——尿素氧化淀粉（Urea-Oxidized Starch, U-OST）黏合剂，并进一步通过纳米二氧化钛（nano-TiO₂）改性提升其性能。
研究流程与实验方法
1. 氧化淀粉（OST）的制备
- 样本处理：以30.0 g天然玉米淀粉（NST）为原料，与50.0 g去离子水混合，加入1.0 mL浓硫酸和不同比例（2%~8%，干淀粉基准）的高锰酸钾（KMnO₄）作为氧化剂。
- 反应条件：50±1℃下搅拌回流1小时，氧化羟基为醛基和羧基，形成氧化淀粉。通过SEM观察发现氧化淀粉表面粗糙、颗粒尺寸不均，表明氧化反应破坏了淀粉晶体结构（图1b）。FT-IR显示1645 cm⁻¹处醛基特征峰增强（图3b），证实氧化成功。
2. U-OST黏合剂的合成
- 缩聚反应：将氧化淀粉与尿素（20%~80%，干淀粉基准）在pH=5、95±1℃下反应1.5小时。XRD分析显示，原始淀粉的结晶峰（15°、17°、23°）完全消失，形成新的结晶峰（22.5°、24.8°等），表明尿素与醛基缩聚生成新结构（图4c）。
- 性能优化：当尿素含量为50%、氧化剂含量为5%时，黏合剂干剪切强度达2.07 MPa，黏度为3800 mPa·s（图5-6）。
3. nano-TiO₂改性黏合剂的制备
- 纳米复合：在U-OST中添加1.5% nano-TiO₂（干淀粉基准），通过氢键和表面活性基团作用增强黏合性能。SEM显示改性后黏合剂结构更致密（图1d），FT-IR中3011~3701 cm⁻¹峰展宽，表明氢键增强（图3d）。
- 性能提升：干剪切强度提高16.9%至2.42 MPa，黏度达4100 mPa·s（图7），且固化时间仅105秒，满足工业需求（表1）。
主要结果与逻辑关系
- 氧化阶段：氧化剂含量影响黏合性能，5% KMnO₄时性能最优（图5），过量氧化导致淀粉链断裂过度。
- 缩聚阶段：50%尿素比例确保醛基与氨基充分反应，形成稳定交联网络（图6）。
- 纳米改性：nano-TiO₂通过表面羟基增强界面结合力，但过量添加（>1.5%）会导致纳米粒子团聚（图7）。
结论与价值
- 科学价值：首次提出以氧化淀粉完全替代甲醛，通过醛基-氨基缩聚制备零甲醛黏合剂，解决了传统UF树脂的甲醛污染难题。
- 应用价值：黏合剂成本低（0.5美元/kg）、性能媲美UF树脂（干剪切强度2.42 MPa），适用于胶合板、纤维板等木材加工领域。
- 环保意义：生产过程无甲醛释放，符合绿色化学趋势。
研究亮点
- 创新性：以氧化淀粉为甲醛替代物，从根本上消除甲醛释放。
- 方法优化：通过nano-TiO₂改性实现黏合强度与稳定性的协同提升。
- 跨学科应用：结合生物质材料与纳米技术，拓展淀粉基材料的工业用途。
其他有价值内容
研究还探讨了黏合剂的耐水性（湿剪切强度0.97 MPa）和固体含量（47%~50%），证明其在实际应用中的可靠性（表1）。