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西南林大杜官本院士、楊龍研究員團隊《ACS AMI》:海洋節肢動物多層級結構啟發多糖衍生木/竹材膠黏劑仿生設計
2024-02-05  來源:高分子科技

  膠黏劑在日常生活和工業中有著廣泛的應用,傳統的樹脂膠黏劑通常依賴于石油資源,原料不可再生,且易導致環境污染和人類健康等問題。尋找高性能、可持續的木材膠黏劑替代品對于推動木材工業發展具有重要意義。研究人員已經對淀粉、纖維素、半纖維素、殼聚糖等多糖粘合劑進行了各種策略的評估,包括結構修飾、交聯劑修飾以及納米雜化增強和共價/非共價交聯。然而,大多數多糖類粘合劑自身的膠合性能較差。此外,常見的多糖基木材粘合劑通常包含復雜的物理和化學修飾。海洋節肢動物外骨骼通常表現出卓越的強度和韌性,其中一個重要的設計原則歸因于它們獨特的扭曲膠合板結構,即從分子尺度上獨特的鞣化作用及礦化機制到微觀逐漸旋轉的平面分層排列結構的疊加。因此,基于仿生學設計制造具有多層級微相有序結構的生物基膠黏劑具有重要研究價值且當前仍面臨挑戰。


1殼聚糖基仿生膠黏劑設計原理圖。


  近日,西南林業大學杜官本院士、楊龍研究員團隊與東北林業大學陳志俊教授合作,受海洋節肢動物固有的多層級結構啟發,研究通過自組裝策略方法制備了以胺官能化二氧化硅(SiO2-NH2)核,鄰苯三酚(OPG)為外殼的納米雜化核殼結構(SiO2-NH2@OPG)。將該雜化核殼結構與殼聚糖(CS)共混交聯,制備得到性能優異的仿生木/材膠黏劑(SiO2-NH2@OPG/CS)SiO2-NH2@OPG通過酚胺化學共價交聯整合插入到殼聚糖分子鏈中,削弱了鏈間糾纏,顯著降低了殼聚糖膠黏劑的粘度,改善了初始流變特性,SiO2-NH2@OPG核殼結構顆粒與殼聚糖分子鏈共同形成了多層級微相分離結構,這種微觀結構與海洋節肢動物的角質層相似,有助于增強機械性能。除了常規熱壓固化膠合外,該膠黏劑在室溫下還表現出水分蒸發誘導固化行為。基于海洋節肢動物外骨骼的仿生結構機制,醌胺聚合交聯增強與礦化增強一體化聯合策略構筑了多尺度多層級的微相分離有序結構仿生膠黏劑體系。這種基于粘合劑技術的仿生功能化設計,為創制高性能木質復合材料以及為改善木/竹材界面膠合性能提供了新的思路和解決方案。SiO2-NH2@OPG/CS膠黏劑在木竹材料的工業生產中具有較大的應用潛力,這種仿生設計思路有望推動輕質高強度木質復合材料的研發。 


2殼聚糖基仿生膠黏劑的制備過程。


圖3納米雜化核殼結構的化學表征


圖4 多糖基仿生膠黏劑的多層級微相分離有序結構。


圖5 多糖基仿生膠黏劑的木/竹材膠合性能


  相關研究成果近期以“Lobster Inspires Chitosan-Derived Adhesives with Biomimetic Design”為題發表在國際期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。西南林業大學材料與化學工程學院楊龍研究員課題組研究生倪科路余嬌嬌為論文共同第一作者,官本院士、楊龍研究員和陳志俊教授為論文共同通訊作者。該研究得到了國家重點研發計劃課題任務、國家自然科學基金面上項目、云南省院士工作站、云南省基礎研究計劃重點項目、云南省中青年學術和技術帶頭人后備人才項目以及云南省高層次人才培養支持計劃青年拔尖人才項目等經費支持。


  原文鏈接https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.3c19369

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