通过大豆分离蛋白纤维自增强豆粕材料来制备以植物蛋白为主的胶合板生物胶粘剂

Industrial Crops and Products Ⅰ区（IF：4.244）

研究背景：

以甲醛为基础的胶粘剂（尿素、苯酚和三聚氰胺甲醛树脂胶粘剂）占据市场主导地位，甲醛类聚合物不但会污染环境，还会危害人体健康。因此，无毒无害的大豆蛋白胶粘剂成为目前生物质胶粘剂的研究热点。

大豆蛋白胶粘剂存在着胶合强度低和耐水性差的特点，制备聚合物复合材料是一种提高材料力学性能的简单方法，无机/聚合物填料可以为消除聚合物基体中的应力裂纹提供途径。然而，填料与基体界面处的脱粘通常会因其两相连接不良而导致预期性能下降。自增强复合材料（SRCs）可以通过用相同聚合物的某些纤维/粒子/带增强聚合物基体，从而获得良好的界面相容性。大豆分离蛋白纤维（SPFs）是从大豆粕中提取球形蛋白后，经静电纺丝或湿法纺丝而成的纤维。然而，SPFs自增强胶粘剂在木材工业中的应用却鲜有报道。在本研究中，SPFs自增强大豆蛋白胶粘剂作为网络骨架，1,2,3-丙三醇-二缩水甘油醚（PTGE）作为交联剂。机理如图1所示：

图1 SPFs自增强大豆粕（SM）胶粘剂的示意图以及SPFs-SM、SPFs-SPF和SM-SM两相中的界面相互作用机理

研究方法：

SPFs/SM/PTGE胶粘剂的制备采用两步添加法。将一半SM（14g）添加到带有蒸馏水（72g）的烧杯中进行搅拌。表1中列出了不同用量的SPF（占SM基胶粘剂总重量的0.5%、1.0%、1.5%和2.0%）和6gPTGE，在20℃下连续搅拌10分钟。将剩余的一半SM（14 g）放入烧杯中，再搅拌10分钟。

表1  SPFs/SM/PTGE胶粘剂的实验配方

研究结果：

本研究探讨了SPFs网络骨架与SM基体结合的“自胶合”概念， PTGE为交联剂，在SPFs增强相和SM基体中与多个侧基（-COOH/-NH2/-OH）形成紧密的物理化学相互作用。用SPFs（0.5%～2.0%）制备了自增强SPFs/SM/PTGE胶粘剂，并制备了三层胶合板。用SPFs/SM/PTGE胶粘剂粘结胶合板的湿态胶合强度满足Ⅱ类胶合板标准（最高为1.12MPa）。

图2  （A）SPFs/SM/PTGE胶粘剂的FTIR光谱和（B）图2 A在3950–1200 cm−1之间的放大FTIR光谱（插入部分显示SPFs/SM/PTGE系统中的推测反应）

图3 SM、SPFs/SM/PTGE0.5、SPFs/SM/PTGE1.0、SPFs/SM/PTGE1.5和SPFs/SM/PTGE2.0胶粘剂的XRD图谱

图4 SM和SPFs自增强SM胶粘剂样品的TG曲线（A）和DTG曲线（B）

图5 （A）SM/PTGE和SPFs/SM/PTGE胶粘剂的DSC曲线；（B）SM/PTGE和SPFs/SM/PTGE胶粘剂的变性温度（Td）和变性焓（ΔH）的数据

图6 （a）SM/PTGE（b）SPFs/SM/PTGE0.5（c）SPFs/SM/PTGE1.5（d）SPFs/SM/PTGE2.0胶粘剂横截面的FE-SEM图像

研究结论：

在本研究中，植物蛋白纤维“自增强”豆粕（SM）胶粘剂可用于胶合板工业。大豆分离蛋白纤维（SPF）自增强体系不需要对增强相进行复杂的表面改性，而是将SPF和SM的生物学相似性结合为新的模式，以获得良好的双相胶粘剂复合材料。本文介绍了一种新型的植物蛋白纤维“自增强”生物粘附体系，该体系具有较强的粘接性能，有望进一步应用于胶合板行业，缓解对石油产品的过度依赖。

原文链接：

Kang H, Wang Z, Wang Y, et al. Development ofmainly plant protein-derived plywood bioadhesives via soy protein isolate fiberself-reinforced soybean meal composites. Industrial Crops and Products, 2019, DOI: 10.1016/j.indcrop.2019.03.022

供稿人：屈阳