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  天然粘合劑具有原料易得、成本低廉及工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，但存在膠合強(qiáng)度低、耐水性差及產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等缺陷，其性能易受原料產(chǎn)地、季節(jié)及氣候等環(huán)境因素影響。相較而言，合成粘合劑展現(xiàn)出卓越的粘結(jié)強(qiáng)度、耐水性及耐化學(xué)性，綜合性能顯著提升，可在嚴(yán)苛環(huán)境中穩(wěn)定應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)合成粘合劑的生產(chǎn)工藝復(fù)雜且能耗高，不僅加劇環(huán)境負(fù)荷，更制約了材料的可持續(xù)性與循環(huán)利用潛力。因此開發(fā)一種兼具膠合性能、耐候性、可持續(xù)性且制備工藝簡(jiǎn)單的生物質(zhì)粘合劑成為研究熱點(diǎn)。

  2026年3月13日，西南林業(yè)大學(xué)杜官本教授、楊龍研究員團(tuán)隊(duì)在《Advanced Functional Materials》發(fā)表題為 “Cellulose-Tannin-Glycerol (CTG): A Biomass-Based, Recyclable, and High-Performance Adhesive via Water-Regulated Cohesion” 的研究。該研究以纖維素、單寧、甘油及其衍生物為原料，通過優(yōu)化粘合劑組分比例實(shí)現(xiàn)自由水與結(jié)合水的有效調(diào)控，成功開發(fā)出全生物質(zhì)基CTG粘合劑。該材料兼具卓越粘接性能、耐溶劑性、抗老化能力、可回收性及生物降解性，有效突破了生物質(zhì)粘合劑及傳統(tǒng)合成樹脂粘合劑在膠合性能與環(huán)保性方面的雙重局限，為高性能可持續(xù)粘合劑的設(shè)計(jì)提供了新思路。

圖1.水調(diào)控內(nèi)聚力粘合力設(shè)計(jì)的CTG膠粘劑。（a）通過調(diào)整膠粘劑組分去除膠粘劑中的自由水分，從而增強(qiáng)其粘合力的示意圖。（b）CTG 膠粘劑的簡(jiǎn)便制備過程及其可回收性。

  圖1a主要展示了CTG粘合劑的設(shè)計(jì)思路，通過調(diào)控粘合劑的組分，實(shí)現(xiàn)了自由水的大量去除，大幅提升了粘合劑的內(nèi)聚力，從而賦予其卓越粘接性能。圖1b展示了CTG粘合劑的簡(jiǎn)便制備與循環(huán)回收利用過程，CTG粘合劑通過簡(jiǎn)單混合攪拌即可制備，固化后的CTG粘合劑可通過堿溶解、酸中和的簡(jiǎn)單方法實(shí)現(xiàn)回收再利用。

圖2. CTG 膠粘劑粘接性能與極端環(huán)境耐受性。（a）異種基材搭接接頭的粘接強(qiáng)度。（b）鋼、銅、鋁、木、竹及玻璃基材的應(yīng)力?應(yīng)變曲線。（c）室溫固化3天、10天、1年后不同基材粘接強(qiáng)度，（d）吹風(fēng)機(jī)加速固化 20min 后的粘接強(qiáng)度.(e)鋼試件在不同溶劑中浸泡30天后的強(qiáng)度.（f）粘接鋼接頭拉動(dòng)汽車的試驗(yàn)截圖.（g）與已報(bào)道生物質(zhì)基、石油基膠粘劑的粘接強(qiáng)度對(duì)比。

  如圖2所示，研究人員系統(tǒng)探究了CTG粘合劑對(duì)不同基材的膠合性能、固化條件以及環(huán)境耐受性并與已報(bào)道的部分粘合劑進(jìn)行了性能對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果表明，CTG粘合劑可在室溫固化、同樣可以加熱加速固化。CTG粘合劑對(duì)鋼的最大膠合強(qiáng)度可超過40 MPa，并展現(xiàn)出優(yōu)異的極端環(huán)境耐受性。

圖3. CTG 膠粘劑表征分析。（a）CT膠粘劑固化后的原子力顯微鏡（AFM）彈性模量圖。(b)CTG 膠粘劑固化后的AFM彈性模量圖，(c-d)CT與CTG的二維紅外同步、異步光譜.(e)CT與CTG的二維拉曼光譜.（f）CTG粘接機(jī)理示意圖。

  如圖3所示，CTG粘合劑的高性能源于其獨(dú)特的調(diào)控策略與多尺度協(xié)同機(jī)制。AFM表征證實(shí)， CTG粘合劑模量顯著高于CT粘合劑，表明其固化后具備更堅(jiān)固且具有更高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；二維紅外光譜揭示體系內(nèi)氫鍵網(wǎng)絡(luò)與共價(jià)鍵形成協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)，二維拉曼光譜進(jìn)一步證實(shí)多重作用力處于最優(yōu)狀態(tài)；粘接機(jī)理示意圖闡明，CTG通過機(jī)械互鎖、配位鍵、物理吸附及氫鍵的多重協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)不同基材的高強(qiáng)度粘接。

圖4.粘合劑的自由水與結(jié)合水含量變化及理論計(jì)算。（a）CT與CTG膠粘劑的黏度對(duì)比。(b)CT與CTG的低場(chǎng)核磁共振曲線。（c）CT與CTG的T₂與τ_c值(d) IMG模擬對(duì)CT和CTG膠粘劑樣本的相互作用分析(e)CT與CTG 的分子間相互作用分解。（f）CTG 在基材表面浸潤(rùn)?排水?粘接過程示意圖。

  圖4結(jié)果表明，經(jīng)過優(yōu)化后的CTG粘合劑的黏度大幅升高，到CT粘合劑的548倍，低場(chǎng)核磁表征進(jìn)一步證實(shí)其結(jié)合水含量顯著增加。理論計(jì)算結(jié)果表明，CTG分子間的靜電作用、范德華力及氫鍵等作用協(xié)同增強(qiáng)，總相互作用能更高。

圖5. CTG膠粘劑的可回收性、降解性與生命周期評(píng)估（LCA）。（a）CTG通過堿溶解、酸中和的回收流程，（b）CTG多次循環(huán)后的膠合強(qiáng)度。（c）CTG膠粘劑的抑菌圈照片。（d）固化CTG降解過程的監(jiān)測(cè)。（e）CTG與傳統(tǒng)膠粘劑的LCA對(duì)比。

  圖5系統(tǒng)評(píng)價(jià)了CTG粘合劑的可持續(xù)性：其具備優(yōu)異的可回收性，首次回收后強(qiáng)度保持率約為原強(qiáng)度的45%，但隨循環(huán)次數(shù)增加而逐漸衰減；抗菌實(shí)驗(yàn)顯示，CTG對(duì)金黃色葡萄球菌具有顯著抑制能力；生物降解性測(cè)試證實(shí)其可完全降解，且降解產(chǎn)物對(duì)植物生長(zhǎng)無顯著影響；生命周期評(píng)估（LCA）進(jìn)一步表明，相較于主流石油基粘合劑，CTG在全生命周期中展現(xiàn)出顯著的環(huán)境友好性優(yōu)勢(shì)。

  本研究創(chuàng)新性地以農(nóng)、林、漁業(yè)生物質(zhì)為原料，通過精準(zhǔn)調(diào)控膠粘劑內(nèi)部自由水與結(jié)合水的比例，實(shí)現(xiàn)了對(duì)內(nèi)聚力的優(yōu)化控制，成功開發(fā)出一種全生物質(zhì)基CTG膠粘劑。該膠粘劑突破性地克服了傳統(tǒng)生物質(zhì)粘合劑強(qiáng)度低、耐水性差以及石油基粘合劑難降解、難回收的瓶頸，集成了室溫/加熱雙固化模式、多基材粘接適配性、高強(qiáng)粘接性能、多環(huán)境耐受性、pH調(diào)控可回收性及完全生物降解性等多重優(yōu)勢(shì)。其性能媲美甚至超越傳統(tǒng)石油基膠粘劑，同時(shí)具備原料可替代、成本低、環(huán)境友好等顯著特點(diǎn)，為開發(fā)兼具高性能與可持續(xù)性的綠色膠粘劑提供了全新的設(shè)計(jì)策略和重要的工業(yè)化潛力。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202532068