北京林业大学AFM: 皮肤启发的可持续且经济高效的植物蛋白基超分子胶黏剂

从建筑到飞机、汽车、家具、鞋类和包装，胶黏剂在我们生活的许多方面都不可或缺。虽然传统的合成树脂胶黏剂具有高性能和成本效益，但它们却带来了严重的环境问题。尽管单宁酸、壳聚糖、淀粉或木质素等天然聚合物已被用于开发生物基胶黏剂，但由于需要复杂的改性过程、成本高或粘接强度差，它们的实际应用受到严重限制。为了解决这一问题，北京林业大学木材胶黏剂团队李建章教授、姜帅成老师联合四川大学尧猛副教授团队从皮肤结构中汲取灵感，利用大豆蛋白粕（SM）基质和明胶骨架开发出一种超分子生物质胶黏剂系统。在该系统中，大豆球蛋白和多糖均匀分散，增强了界面黏附力和承载能力，而明胶分子链相互交织，构建了网络骨架，增强了胶黏剂的内聚力。这种胶黏剂允许分子链在应力作用下滑动来消散应变能并提高承载能力，以超低成本（约为聚乙酸乙烯酯乳液胶黏剂的58%）和负碳足迹实现了与市售聚乙酸乙烯酯胶黏剂相当的性能。此外，该胶黏剂系统还表现出卓越的可调节的极端环境适应性，可在-196 至 150 °C的温度范围内保持稳定粘接，从可水合分离到耐沸水性均可调节。总之，这项研究提出了一种受皮肤启发的策略，利用植物蛋白的特性开发出一种可持续、高性能和高性价比的胶黏剂系统，适于消费和工业应用。该研究以题为“Skin-Inspired Durable and Cost-Effective Biomass-Based Supramolecular Adhesives”的论文发表在最新一期《Advanced Functional Materials》上，第一作者为雷正辉博士生。【受皮肤启发的植物蛋白基超分子胶黏剂】天然动物皮肤之所以具有非凡的强度和韧性，要归功于真皮层的富含胶原蛋白的细胞外基质。在细胞外基质中，球形黏附蛋白负责细胞与细胞、细胞与细胞外基质之间的黏附，稳定细胞并传递信号。透明质酸等长链支链多糖起着应力缓冲剂的作用，而胶原蛋白纤维则相互交织形成了一个坚韧的三维网络，为皮肤提供抗拉强度和结构支撑。有趣的是，细胞外基质和植物蛋白粕具有结构相似的球蛋白和多糖。受此启发，作者利用大豆蛋白粕基质和明胶骨架开发出一种超分子胶黏剂系统。大豆蛋白粕含有有助于界面黏附和承受载荷的球状蛋白质和多糖。明胶作为胶原蛋白的衍生物，在原位自组装形成类似胶原蛋白的三螺旋结构，从而构建稳定的三维网状骨架，维持黏附系统的内聚力并促进大豆球蛋白的界面黏附。该胶黏剂系统具有灵活方便的应用特性，包括室温粘接、可重复使用和可调节的极端环境适应性，展现出与商用聚乙酸乙烯酯乳液和脲醛树脂等传统胶黏剂相当的粘接性能和低成本，而且碳足迹低至负值，是消费和工业应用的可持续选择。图1. 设计思路【明胶骨架和SM基质的共组装】作者通过控制明胶骨架和SM基质的共组装优化了胶黏剂的粘接性能。胶黏剂的粘接性能主要受其内聚力和界面黏附力影响。研究表明，分子量具有差异的两种明胶形成大量的胶原蛋白样的三螺旋结构作为物理交联点构建了稳定的网络骨架，该骨架通过氢键与大豆球蛋白和多糖相互作用，以形成具有增强的内聚力的超分子网络。此外，明胶分子链与大豆球蛋白和多糖通过次级键相互作用，促进了大豆球蛋白的均匀分散，这提高了胶黏剂的润湿性，有利于大豆球蛋白和基材的界面黏附。图2. 机理分析【胶黏剂的粘接性能和强化机制】作者对胶黏剂的粘接性能进行了测试，结果表明，纯SM胶黏剂对于各种基材的平均剪切强度小于1.8 MPa，改性胶黏剂（SM/Gel1/Gel2）对木材和不锈钢的剪切强度显著提升，分别达到3.51和3.65 MPa。此外，Gel1/Gel2骨架增强了胶黏剂的承载能力，并促进了受力时能量的均匀耗散。SM/Gel1/Gel2的脱粘功从480.74 N.m-1增加到2427.15 N.m-1，提高了400%。拉伸粘接强度也进一步证实了以上结果。作者进一步分析了胶黏剂的强化和增韧机制，DMA测试结果表明，明胶骨架和SM基质在高频率下发生相对滑动，从而硬化，以更好地适应应力变化和耗散能量。图3. 胶黏剂的室温粘接性能、强化和增韧机制【胶黏剂的功能性】作者对该胶黏剂系统的功能性进行了进一步探究，结果表明，该胶黏剂系统表现出可调节的极端环境适应性，在需要时易于分离和重复使用，并在废弃后可迅速生物降解，结合了出色的功能性和可持续性。水合分离的能力使 SM/Gel1/Gel2 可重复使用，有助于节约资源。为了应对水对SM/Gel1/Gel2网络的破坏，可以引入配位相互作用（由氯化钙介导）或共价相互作用（由乙二醇二缩水甘油醚介导）来调节SM/Gel1/Gel2网络的耐水性，以实现从可水合分离到耐沸水性进行调节。此外，SM/Gel1/Gel2在-20 °C和70 °C之间使用，粘接强度没有明显变化。即使在极端温度（如-196 °C或150 °C）下处理30 min，它也能保持80%以上的强度，实现稳定的粘接。图4 胶黏剂的可重复使用性、可调节的环境适应性和生物降解性【胶黏剂的消费和工业应用】作者最后展示了该胶黏剂的适用场景，结果表明，与传统胶黏剂相比，该生物基胶黏剂具有相当的性能和更低的材料成本，更高的环境和经济可持续性，使其成为一种可行的可持续替代品，可适应于消费和工业应用，例如家居装饰和胶合板制造。图5. 消费和工业应用总结：作者从皮肤结构中汲取灵感，大豆蛋白粕基质和明胶骨架相互作用，产生了一种可持续、高性能和高成本效益的超分子胶黏剂，它允许分子链在应力作用下滑动，以消散应变能并提高承载能力。这种胶黏剂具有坚韧的粘接性能，对极端环境的适应性可调，并具有卓越的可持续性，适用于消费和工业应用。来源：高分子科学前沿

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