高强、耐水的全纤维素胶体胶粘剂
采用简单、环保的方法开发高强度生物基胶粘剂，作为石油基胶粘剂的替代品，具有重要意义。纤维素是地球上最丰富的可再生生物质资源之一，使用物理或化学方法制备的纤维素溶液胶粘剂或纤维素水凝胶胶粘剂表现出优异的干胶合强度，但其耐水性较差，这严重限制了其在高湿度环境中的应用。
针对以上问题，东北林业大学材料科学与工程学院肖少良教授和王永贵教授团队提出了一种高强、耐水的全纤维素胶体胶粘剂的制备方法：选用微晶纤维素（MCC）作为原料，利用高碘酸钠对其进行选择性活化，从而获得高活性的全纤维素胶体胶粘剂（CCA）。在这个过程中，MCC被部分解聚形成纤维素纳米晶体（CNC），同时MCC中的羟基被部分活化成醛基，构成独特的微米/纳米纤维素高活性胶体体系
形成均匀稳定的溶液是制备高性能胶黏剂的重要前提之一。活化前，MCC 不溶于水，在水中 10 分钟后会形成分层沉淀。活化后，CCA形成均匀稳定的胶体，即使放置 24 小时后不会出现分层现象（图1a）。通过光学显微镜（OM）观察发现，MCC 的粒径较大且易聚集。转变为 CCA 后，则呈现均匀分布的小颗粒状态（图1b）。同时，透射电镜（TEM）观察发现CCA 中存在细小且均匀的针状结构，表明MCC 部分活化产生 CNC（图1c）。此外，FTIR, XPS和固态13C CPMAS NMR结果表明，活化后，MCC的 C2、C3位羟基被部分转化为醛基，胶粘剂的反应活性增强（图1d-f）。
图1.CCA的形态分析和结构分析(a：MCC和CCA的照片；b：MCC和CCA的OM图像；c：MCC的SEM图像和CCA的TEM图像；d：MCC和CCA的FTIR光谱；e：MCC和CCA的XPS C1s光谱；f：MCC和CCA的固态13C CPMAS NMR光谱)。
使用CCA制备胶合板并评价其干/湿胶接性能（图2a）。实物图和SEM结果表明，浸入63℃热水三小时前后，CCA与木材的胶接界面均保持完整，与木材形成机械互锁结构（图2b）。胶接性能结果显示，CCA干胶合强度和湿胶合强度分别达到 3.7MPa和1.6MPa，高于中国国家标准二类胶合板强度要求（≥ 0.8 MPa, GB/T 9846–2015）（图2c-d）。CCA具有优异胶接性能归因于两个方面：1、胶接作用上，CCA的羟基和醛基可以与木材表面羟基形成氢键和化学键作用，并且CCA胶体颗粒可以填充木材表面孔隙形成机械互锁；2、内聚作用上，CNC 作为增强相，可以增强CCA的交联网络，同时CCA的羟基和醛基也可以热固化通过氢键和化学键构成坚固的内聚交联结构（图2e），这使得CCA胶合板产品无论在干态和湿态下均表现出优异的强度。
图2. 胶合板的制备及性能测试，CCA胶合机理的研究(a：胶合板的制备b：CCA胶合板在63 ℃水中浸泡3 h前后的照片和SEM图像c：MCC胶合板与CCA胶合板的干、湿胶合强度 d：CCA胶合板样品的破坏模式e: CCA的胶接机理)。
以松树和杨树为针叶材/阔叶材的代表制备CCA 胶合板，其干/湿剪切强度分别达到 2/1.7MPa 和 1.9/1MPa，均满足国家标准要求，表明 CCA 对不同木材都具有良好的胶接性能和胶接普适性（图3a-c）。此外，用 CCA 制备的 11 层胶合板（图3d），榉木胶合板的弹性模量（MOE）和静曲强度（MOR）也满足 GB/T9846 - 2015 的性能要求（图3e-f）。
图3.CCA在木材胶接中的普适性(a：CCA胶粘剂制备针叶材和阔叶材胶合板；b：杨木/松木胶合板破坏模式；c：杨木/松木胶合板的干/湿剪切强度；d：11层胶合板的制备；e：杨木/榉木11层胶合板的图片；f：11层杨木和榉木胶合板的MOE和MOR)。
除了MCC，CCA还可以从杨木粉(阔叶材)和松木粉(针叶材)中提取纤维素后制备，进一步降低制备成本(图6a和b)。杨木CCA和松木CCA胶合板的干/湿拉伸强度分别达到3.1/1.1 MPa和3/1 MPa，满足GB/T 9846–2015的要求(图6c)，表明CCA的制备也具有优异的原料普适性。
图4. CCA制备的原料普适性(a：杨木CCA和松木CCA的制备；b：杨木/松木粉、杨木/松木纤维素、杨木/松木CCA的图片；c：杨木CCA胶合板和松木CCA胶合板的干/湿剪切强度)。
该研究成功将微晶纤维素转化为高性能的全纤维素胶体胶粘剂，这种胶粘剂制备简单，胶接性能和耐水性能高，普适性强，可通过不同来源的纤维素制备并适用于胶接不同种类的木材，在木材胶接领域展现出强大应用潜力。这种绿色、可持续、普适性强且高性能的纤维素胶体胶粘剂，有望取代传统胶粘剂，为拓展纤维素基胶黏剂在生物质材料领域的应用提供新的思路和途径。
该研究以“Bonding of wood with high strength and excellent water resistant cellulose colloidal adhesives”为题发表于Chemical Engineering Journal。
东北林业大学材料科学与工程学院博士研究生蒋雨烟为第一作者，肖少良教授和王永贵教授为共同通讯作者。
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.162668
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