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西南林大杜官本院士、楊龍研究員團(tuán)隊(duì)《ACS AMI》：海洋節(jié)肢動物多層級結(jié)構(gòu)啟發(fā)多糖衍生木/竹材膠黏劑仿生設(shè)計(jì)
2024-02-05  來源：高分子科技

  膠黏劑在日常生活和工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，傳統(tǒng)的樹脂膠黏劑通常依賴于石油資源，原料不可再生，且易導(dǎo)致環(huán)境污染和人類健康等問題。尋找高性能、可持續(xù)的木材膠黏劑替代品對于推動木材工業(yè)發(fā)展具有重要意義。研究人員已經(jīng)對淀粉、纖維素、半纖維素、殼聚糖等多糖粘合劑進(jìn)行了各種策略的評估，包括結(jié)構(gòu)修飾、交聯(lián)劑修飾以及納米雜化增強(qiáng)和共價/非共價交聯(lián)。然而，大多數(shù)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(fù)雜的物理和化學(xué)修飾。海洋節(jié)肢動物外骨骼通常表現(xiàn)出卓越的強(qiáng)度和韌性，其中一個重要的設(shè)計(jì)原則歸因于它們獨(dú)特的扭曲膠合板結(jié)構(gòu)，即從分子尺度上獨(dú)特的鞣化作用及礦化機(jī)制到微觀逐漸旋轉(zhuǎn)的平面分層排列結(jié)構(gòu)的疊加。因此，基于仿生學(xué)設(shè)計(jì)制造具有多層級微相有序結(jié)構(gòu)的生物基膠黏劑具有重要研究價值且當(dāng)前仍面臨挑戰(zhàn)。


圖1殼聚糖基仿生膠黏劑設(shè)計(jì)原理圖。


  近日，西南林業(yè)大學(xué)杜官本院士、楊龍研究員團(tuán)隊(duì)與東北林業(yè)大學(xué)陳志俊教授合作，受海洋節(jié)肢動物固有的多層級結(jié)構(gòu)啟發(fā)，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)為內(nèi)核，鄰苯三酚(OPG)為外殼的納米雜化核殼結(jié)構(gòu)(SiO2-NH2@OPG)。將該雜化核殼結(jié)構(gòu)與殼聚糖(CS)共混交聯(lián)，制備得到性能優(yōu)異的仿生木/竹材膠黏劑(SiO2-NH2@OPG/CS)。SiO2-NH2@OPG通過酚胺化學(xué)共價交聯(lián)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(jié)構(gòu)顆粒與殼聚糖分子鏈共同形成了多層級微相分離結(jié)構(gòu)，這種微觀結(jié)構(gòu)與海洋節(jié)肢動物的角質(zhì)層相似，有助于增強(qiáng)機(jī)械性能。除了常規(guī)熱壓固化膠合外，該膠黏劑在室溫下還表現(xiàn)出水分蒸發(fā)誘導(dǎo)固化行為。基于海洋節(jié)肢動物外骨骼的仿生結(jié)構(gòu)機(jī)制，醌胺聚合交聯(lián)增強(qiáng)與礦化增強(qiáng)一體化聯(lián)合策略構(gòu)筑了多尺度多層級的微相分離有序結(jié)構(gòu)仿生膠黏劑體系。這種基于粘合劑技術(shù)的仿生功能化設(shè)計(jì)，為創(chuàng)制高性能木質(zhì)復(fù)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(yè)生產(chǎn)中具有較大的應(yīng)用潛力，這種仿生設(shè)計(jì)思路有望推動輕質(zhì)高強(qiáng)度木質(zhì)復(fù)合材料的研發(fā)。 


圖2殼聚糖基仿生膠黏劑的制備過程。


圖3納米雜化核殼結(jié)構(gòu)的化學(xué)表征。


圖4 多糖基仿生膠黏劑的多層級微相分離有序結(jié)構(gòu)。


圖5 多糖基仿生膠黏劑的木/竹材膠合性能。


  相關(guān)研究成果近期以“Lobster Inspires Chitosan-Derived Adhesives with Biomimetic Design”為題發(fā)表在國際期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。西南林業(yè)大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院楊龍研究員課題組研究生倪科路和余嬌嬌為論文共同第一作者，杜官本院士、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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題任務(wù)、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、云南省院士工作站、云南省基礎(chǔ)研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目、云南省中青年學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人后備人才項(xiàng)目以及云南省高層次人才培養(yǎng)支持計(jì)劃青年拔尖人才項(xiàng)目等經(jīng)費(fèi)支持。


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

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