高強、耐水的全纖維素膠體膠粘劑
采用簡單、環保的方法開發高強度生物基膠粘劑，作為石油基膠粘劑的替代品，具有重要意義。纖維素是地球上最豐富的可再生生物質資源之一，使用物理或化學方法制備的纖維素溶液膠粘劑或纖維素水凝膠膠粘劑表現出優異的干膠合強度，但其耐水性較差，這嚴重限制了其在高濕度環境中的應用。
針對以上問題，東北林業大學材料科學與工程學院肖少良教授和王永貴教授團隊提出了一種高強、耐水的全纖維素膠體膠粘劑的制備方法：選用微晶纖維素（MCC）作為原料，利用高碘酸鈉對其進行選擇性活化，從而獲得高活性的全纖維素膠體膠粘劑（CCA）。在這個過程中，MCC被部分解聚形成纖維素納米晶體（CNC），同時MCC中的羥基被部分活化成醛基，構成獨特的微米/納米纖維素高活性膠體體系
形成均勻穩定的溶液是制備高性能膠黏劑的重要前提之一�；罨�，MCC 不溶于水，在水中 10 分鐘后會形成分層沉淀�；罨�，CCA形成均勻穩定的膠體，即使放置 24 小時后不會出現分層現象（圖1a）。通過光學顯微鏡（OM）觀察發現，MCC 的粒徑較大且易聚集。轉變為 CCA 后，則呈現均勻分布的小顆粒狀態（圖1b）。同時，透射電鏡（TEM）觀察發現CCA 中存在細小且均勻的針狀結構，表明MCC 部分活化產生 CNC（圖1c）。此外，FTIR, XPS和固態13C CPMAS NMR結果表明，活化后，MCC的 C2、C3位羥基被部分轉化為醛基，膠粘劑的反應活性增強（圖1d-f）。
圖1.CCA的形態分析和結構分析(a：MCC和CCA的照片；b：MCC和CCA的OM圖像；c：MCC的SEM圖像和CCA的TEM圖像；d：MCC和CCA的FTIR光譜；e：MCC和CCA的XPS C1s光譜；f：MCC和CCA的固態13C CPMAS NMR光譜)。
使用CCA制備膠合板并評價其干/濕膠接性能（圖2a）。實物圖和SEM結果表明，浸入63℃熱水三小時前后，CCA與木材的膠接界面均保持完整，與木材形成機械互鎖結構（圖2b）。膠接性能結果顯示，CCA干膠合強度和濕膠合強度分別達到 3.7MPa和1.6MPa，高于中國國家標準二類膠合板強度要求（≥ 0.8 MPa, GB/T 9846–2015）（圖2c-d）。CCA具有優異膠接性能歸因于兩個方面：1、膠接作用上，CCA的羥基和醛基可以與木材表面羥基形成氫鍵和化學鍵作用，并且CCA膠體顆粒可以填充木材表面孔隙形成機械互鎖；2、內聚作用上，CNC 作為增強相，可以增強CCA的交聯網絡，同時CCA的羥基和醛基也可以熱固化通過氫鍵和化學鍵構成堅固的內聚交聯結構（圖2e），這使得CCA膠合板產品無論在干態和濕態下均表現出優異的強度。
圖2. 膠合板的制備及性能測試，CCA膠合機理的研究(a：膠合板的制備b：CCA膠合板在63 ℃水中浸泡3 h前后的照片和SEM圖像c：MCC膠合板與CCA膠合板的干、濕膠合強度 d：CCA膠合板樣品的破壞模式e: CCA的膠接機理)。
以松樹和楊樹為針葉材/闊葉材的代表制備CCA 膠合板，其干/濕剪切強度分別達到 2/1.7MPa 和 1.9/1MPa，均滿足國家標準要求，表明 CCA 對不同木材都具有良好的膠接性能和膠接普適性（圖3a-c）。此外，用 CCA 制備的 11 層膠合板（圖3d），櫸木膠合板的彈性模量（MOE）和靜曲強度（MOR）也滿足 GB/T9846 - 2015 的性能要求（圖3e-f）。
圖3.CCA在木材膠接中的普適性(a：CCA膠粘劑制備針葉材和闊葉材膠合板；b：楊木/松木膠合板破壞模式；c：楊木/松木膠合板的干/濕剪切強度；d：11層膠合板的制備；e：楊木/櫸木11層膠合板的圖片；f：11層楊木和櫸木膠合板的MOE和MOR)。
除了MCC，CCA還可以從楊木粉(闊葉材)和松木粉(針葉材)中提取纖維素后制備，進一步降低制備成本(圖6a和b)。楊木CCA和松木CCA膠合板的干/濕拉伸強度分別達到3.1/1.1 MPa和3/1 MPa，滿足GB/T 9846–2015的要求(圖6c)，表明CCA的制備也具有優異的原料普適性。
圖4. CCA制備的原料普適性(a：楊木CCA和松木CCA的制備；b：楊木/松木粉、楊木/松木纖維素、楊木/松木CCA的圖片；c：楊木CCA膠合板和松木CCA膠合板的干/濕剪切強度)。
該研究成功將微晶纖維素轉化為高性能的全纖維素膠體膠粘劑，這種膠粘劑制備簡單，膠接性能和耐水性能高，普適性強，可通過不同來源的纖維素制備并適用于膠接不同種類的木材，在木材膠接領域展現出強大應用潛力。這種綠色、可持續、普適性強且高性能的纖維素膠體膠粘劑，有望取代傳統膠粘劑，為拓展纖維素基膠黏劑在生物質材料領域的應用提供新的思路和途徑。
該研究以“Bonding of wood with high strength and excellent water resistant cellulose colloidal adhesives”為題發表于Chemical Engineering Journal。
東北林業大學材料科學與工程學院博士研究生蔣雨煙為第一作者，肖少良教授和王永貴教授為共同通訊作者。
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.162668
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