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新產(chǎn)品·新技術(shù)信息

高強、耐水的全纖維素膠體膠粘劑

來源：閃思科技2025年06月13日

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采用簡單、環(huán)保的方法開發(fā)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(zhì)資源之一，使用物理或化學(xué)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(xiàn)出優(yōu)異的干膠合強度，但其耐水性較差，這嚴(yán)重限制了其在高濕度環(huán)境中的應(yīng)用。

針對以上問題，東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(jìn)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(gòu)成獨特的微米/納米纖維素高活性膠體體系

圖文解讀

CCA的多尺度形貌及結(jié)構(gòu)表征

形成均勻穩(wěn)定的溶液是制備高性能膠黏劑的重要前提之一。活化前，MCC 不溶于水，在水中 10 分鐘后會形成分層沉淀。活化后，CCA形成均勻穩(wěn)定的膠體，即使放置 24 小時后不會出現(xiàn)分層現(xiàn)象（圖1a）。通過光學(xué)顯微鏡（OM）觀察發(fā)現(xiàn)，MCC 的粒徑較大且易聚集。轉(zhuǎn)變?yōu)?CCA 后，則呈現(xiàn)均勻分布的小顆粒狀態(tài)（圖1b）。同時，透射電鏡（TEM）觀察發(fā)現(xiàn)CCA 中存在細(xì)小且均勻的針狀結(jié)構(gòu)，表明MCC 部分活化產(chǎn)生 CNC（圖1c）。此外，F(xiàn)TIR, XPS和固態(tài)¹³C CPMAS NMR結(jié)果表明，活化后，MCC的 C₂、C₃位羥基被部分轉(zhuǎn)化為醛基，膠粘劑的反應(yīng)活性增強（圖1d-f）。

圖1.CCA的形態(tài)分析和結(jié)構(gòu)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(tài)¹³C CPMAS NMR光譜)。

CCA的膠接性能及膠接機理

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(jié)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(jié)構(gòu)（圖2b）。膠接性能結(jié)果顯示，CCA干膠合強度和濕膠合強度分別達(dá)到 3.7MPa和1.6MPa，高于中國國家標(biāo)準(zhǔn)二類膠合板強度要求（≥ 0.8 MPa, GB/T 9846–2015）（圖2c-d）。CCA具有優(yōu)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(xué)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(nèi)聚作用上，CNC 作為增強相，可以增強CCA的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，同時CCA的羥基和醛基也可以熱固化通過氫鍵和化學(xué)鍵構(gòu)成堅固的內(nèi)聚交聯(lián)結(jié)構(gòu)（圖2e），這使得CCA膠合板產(chǎn)品無論在干態(tài)和濕態(tài)下均表現(xiàn)出優(yōu)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)。

CCA木材膠接的普適性

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(dá)到 2/1.7MPa 和 1.9/1MPa，均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)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)。

CCA制備的原料普適性

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(jìn)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(dá)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(yōu)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)。

總結(jié)

該研究成功將微晶纖維素轉(zhuǎn)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(lǐng)域展現(xiàn)出強大應(yīng)用潛力。這種綠色、可持續(xù)、普適性強且高性能的纖維素膠體膠粘劑，有望取代傳統(tǒng)膠粘劑，為拓展纖維素基膠黏劑在生物質(zhì)材料領(lǐng)域的應(yīng)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(fā)表于Chemical Engineering Journal。

東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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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