華南理工劉偉峰/廣東工大邱學青AFM：源自木質素和CO₂的超強耐候水性聚氨酯膠黏劑

開發基於生物質與二氧化碳的綠色聚合物材料是應對石化資源枯竭和環境壓力的戰略性突破方向。在眾多新興解決方案中，二氧化碳基聚碳酸酯多元醇（PPC）因其卓越的碳封存能力和替代石油基材料的巨大潛力而受到廣泛關注。此外，木質素作為地球上儲量最豐富的天然芳香族化合物，其與PPC的協同利用為可持續材料的開發提供了全新的思路和可能性。然而，如何有效整合這兩類原料，構建兼具生物降解性、可回收性和可重複使用性的高性能聚合物體系，仍是其實現產業化過程中亟需解決的關鍵技術難題。

圖1 LWPU乳液合成工藝

近日，華南理工大學劉偉峰和廣東工業大學邱學青團隊開創性地將二氧化碳基聚碳酸酯多元醇（PPC）與低分子量堿木質素（AOH）結合，通過結構設計與性能調控，開發了出一種木質素增強型水性聚氨酯膠黏劑（LWPU）。LWPU表現出優異的膠黏性能，在木板、鐵板和鋁板基底上的搭接剪切強度分別高達14.7 MPa、10.6 MPa和9.0 MPa，顯著優於市售聚氨酯膠黏劑，並高於大多數已報導的同類產品。其優異的粘接性能可歸因於以下機制：1. 對於木材基材，LWPU膠黏劑的雙峰粒徑分佈能夠實現多尺度滲透至木材微結構中，並在固化過程中通過聚合物-基材間的相互作用形成牢固的機械互鎖結構； 2. 對於金屬基材（如鐵、鋁等），極性基團與金屬表面之間形成的金屬配位元鍵顯著增強了介面粘附力； 3. 木質素誘導形成的納米微相分離結構，結合氫鍵介導的介面相互作用，協同提升了介面附著力； 4. 優異的力學性能有效抑制了膠膜內部的裂紋擴展，顯著增強了膠粘劑基體的內聚力。

圖2 LWPU膠黏劑的粘接機理

得益于木質素固有的剛性芳香結構及其豐富的極性基團，該材料在極端溫度（-30°C至100°C）、高濕環境（95% ± 5% RH）以及72小時紫外線輻照條件下，仍展現出優異的膠黏性能。此外，木質素增強的雙動態鍵網路（包含共價鍵和氫鍵相互作用）使LWPU粘合劑在鐵板和鋁板上的重複使用次數達到至少10次而不會顯著降低粘接強度；同時，在經過乙醇回收處理後的木板上仍表現出高達10.2 MPa的搭接剪切強度。

PPC和木質素作為石油基多元醇的可持續替代品，有效地解決了膠黏劑不可降解和不可重複使用的局限性。本研究還為木質素在符合迴圈經濟的生物基水性聚氨酯材料中的高值利用開闢了一條新途徑。相關成果以“Sustainable Waterborne Polyurethane Adhesive With Superstrong Adhesion Performance and Excellent Weatherability from Biomass Lignin and CO₂-Based Polyols”為題，近期發表在 Advanced Functional Materials上。論文第一作者為華南理工大學化學化工學院2022級博士生李蕊，華南理工大學劉偉峰和廣東工業大學朱冬雨為論文共同通訊作者。成果得到國家自然科學基金專案（22222805，22038004，22478133，U23A6005）、廣州市重點科技研發計畫專案（2024B03J1380）、廣東省自然科學基金青年發展項目 (2023A1515030135)、 廣東省化學與精細化工實驗室揭陽中心資助。

近年來，作者團隊專注于木質素在高分子材料中的高值利用研究，不追熱點，堅持把冷板凳坐穿，在木質素改性橡膠、塑膠、聚氨酯、膠黏劑等體系，利用木質素本身的天然結構和功能優勢，實現了對不同高分子體系的增強增韌高性能化及功能化，為木質素這一大宗工業生物質資源在高分子材料領域的高值利用探索新理論和新方法，歡迎交流合作，推動應用轉化。

https://doi.org/10.1002/adfm.202422605

來源：高分子科學前沿

免責聲明：本內容來自騰訊平臺創作者，不代表騰訊新聞或騰訊網的觀點和立場。