在工業(yè)生產(chǎn)中，聚氨酯熱熔膠(PU-HMAs)因其快速固化、強(qiáng)粘接力和多基材適用性成為不可或缺的材料。然而，傳統(tǒng)PU-HMAs面臨著三重困境：原料依賴石油基不可再生資源、生產(chǎn)過(guò)程中使用劇毒異氰酸酯單體、廢棄后難以降解的環(huán)境負(fù)擔(dān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年消耗約200萬(wàn)噸聚氨酯膠粘劑，其碳足跡相當(dāng)于燃燒50萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤。更嚴(yán)峻的是，異氰酸酯被世界衛(wèi)生組織列為潛在致癌物，長(zhǎng)期暴露會(huì)導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)疾病——這促使科學(xué)家們尋找更安全環(huán)保的替代方案。
針對(duì)這一行業(yè)痛點(diǎn)，印度科學(xué)院國(guó)家化學(xué)實(shí)驗(yàn)室(CSIR-National Chemical Laboratory)的Gorakh Hiraman Ghuge和Kiran Sukumaran Nair領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，創(chuàng)新性地將目光投向生物基聚羥基聚氨酯(PHU)材料。他們從木質(zhì)素和糖類中提取兩種二碳酸酯單體：含呋喃側(cè)基的BGF-PF-DC和不含側(cè)基的BGF-DC，與Priamine 1074胺類固化劑反應(yīng)，開(kāi)發(fā)出新一代環(huán)保膠粘劑。這項(xiàng)突破性成果發(fā)表在《Reactive and Functional Polymers》期刊，為綠色膠粘劑領(lǐng)域樹(shù)立了新標(biāo)桿。
研究團(tuán)隊(duì)采用多尺度表征技術(shù)體系：通過(guò)傅里葉變換紅外光譜(FTIR)確認(rèn)呋喃環(huán)特征峰(1015 cm-1)，差示掃描量熱法(DSC)測(cè)定玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)，熱重分析(TGA)評(píng)估熱穩(wěn)定性，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行搭接剪切強(qiáng)度測(cè)試(ISO 4587標(biāo)準(zhǔn))，并創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了水下粘接和高溫老化實(shí)驗(yàn)。針對(duì)PHU6-PF100樣品，進(jìn)一步利用核磁共振(1H NMR)追蹤狄爾斯-阿爾德(DA)反應(yīng)進(jìn)程，通過(guò)雙馬來(lái)酰亞胺(BMI)交聯(lián)實(shí)現(xiàn)材料功能化改性。
材料設(shè)計(jì)與表征
研究人員設(shè)計(jì)出PHU1-PHU6六個(gè)配方體系，系統(tǒng)調(diào)節(jié)BGF-PF-DC/BGF-DC比例(0-100%)。動(dòng)態(tài)機(jī)械分析(DMA)顯示，含100%呋喃側(cè)基的PHU6-PF100儲(chǔ)能模量達(dá)1.2 GPa(25°C)，證實(shí)呋喃環(huán)可增強(qiáng)材料剛性。X射線光電子能譜(XPS)在結(jié)合能399.8 eV處檢測(cè)到呋喃環(huán)氮原子特征峰，為結(jié)構(gòu)確證提供直接證據(jù)。
粘接性能突破
在鋁合金基材上，PHU6-PF100展現(xiàn)出9.27 MPa的剪切強(qiáng)度，比商用環(huán)氧膠高23%。更驚人的是其水下粘接性能——在去離子水中浸泡24小時(shí)后仍保持8.15 MPa強(qiáng)度，歸因于呋喃環(huán)的疏水效應(yīng)。循環(huán)測(cè)試表明，該材料可重復(fù)使用5次而強(qiáng)度衰減<15%，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)熱熔膠的單一使用特性。
高溫穩(wěn)定性機(jī)制
通過(guò)DA反應(yīng)將PHU6-PF100與BMI交聯(lián)后，Tg從62°C提升至89°C。雖然交聯(lián)使室溫粘接強(qiáng)度降低至6.8 MPa，但在50°C老化測(cè)試中，改性樣品強(qiáng)度保持率(92%)顯著優(yōu)于未改性樣品(67%)，證明交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)可有效抑制高溫鏈段運(yùn)動(dòng)。
可持續(xù)性評(píng)估
根據(jù)ASTM D6866標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，所有配方可再生碳含量(RC)達(dá)89-90%，生命周期評(píng)估(LCA)顯示碳足跡比石油基PU-HMAs降低62%。毒性測(cè)試證實(shí)材料完全不含游離異氰酸酯，解決了職業(yè)健康隱患。
這項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)了三大創(chuàng)新：首次將呋喃側(cè)基引入PHU熱熔膠分子設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出首例可DA反應(yīng)改性的生物基膠粘劑，創(chuàng)立了"可逆交聯(lián)-高溫穩(wěn)定"的新型材料策略。其意義不僅在于性能參數(shù)突破，更開(kāi)創(chuàng)了將動(dòng)態(tài)共價(jià)化學(xué)引入環(huán)保膠粘劑的新范式。正如通訊作者Kiran Sukumaran Nair指出："這種材料就像分子級(jí)別的魔術(shù)貼，既可以通過(guò)DA反應(yīng)‘鎖死’網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)應(yīng)對(duì)高溫環(huán)境，又能保持生物基材料的綠色本質(zhì)"。該技術(shù)已申請(qǐng)PCT國(guó)際專利，在汽車(chē)輕量化、海洋工程等領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用前景，為全球減碳目標(biāo)提供了新材料解決方案。
