通过仿生结构设计制备的坚韧且多功能的大豆蛋白粘合剂

《International Journal of Biological Macromolecules》：Tough and multifunctional soy protein adhesive via nature-mimetic structural design

仿生蜘蛛丝结构胶粘剂开发及性能优化。采用环氧大豆油预聚物交联大豆蛋白形成刚性网络，并引入生物基聚酯ESS作为缓冲层。优化后的SME/10ESS胶粘剂干态剪切强度达2.01 MPa（提升42.6%），湿态1.12 MPa（提升261.3%），粘附功提升212.5%至225 mJ，同时具备优异的基材兼容性、防水性和抗霉性（12天）。生命周期评估表明其为石油基胶粘剂的可持续替代品，对缓解全球资源短缺和气候变化具有重要意义

　　近年来，随着全球对环境保护和可持续发展的重视不断加深，开发多功能、无甲醛的环保型胶粘剂成为材料科学领域的重要研究方向。这一趋势源于传统胶粘剂在生产和使用过程中释放甲醛或其他挥发性有机化合物（VOCs），不仅对环境造成污染，还可能对人体健康产生潜在威胁。因此，寻找替代性的、可再生的胶粘剂材料，以满足现代工业对绿色、高性能材料的需求，成为研究的热点。本文提出了一种受蜘蛛丝结构启发的仿生胶粘剂设计策略，通过引入仿生结构，显著提升了胶粘剂的性能，并展示了其在木材加工、陶瓷修复等领域的广泛应用前景。

蜘蛛丝是一种自然界中具有卓越韧性的材料，其结构特点在于由高度密集的刚性晶体区域和较为松散的非晶区域共同构成。刚性晶体区域主要由聚丙氨酸链组成，形成β-折叠结构，这些结构提供了材料的高强度和刚性，能够在承受拉力时保持结构稳定。而非晶区域则富含甘氨酸序列，通常以α-螺旋或无规卷曲的形式存在，为材料提供了能量耗散和应力松弛的能力，从而进一步增强了其机械性能。这种刚柔并济的结构使得蜘蛛丝在保持高强度的同时，还具有优异的韧性，成为仿生材料研究的典范。

基于这一自然界的灵感，研究人员开发了一种新的仿生胶粘剂，其核心思想是通过构建类似的刚柔复合结构来提升胶粘剂的综合性能。首先，通过将环氧甲醇预聚物（EM）与大豆蛋白中的活性基团发生反应，形成了一个密集的交联网络结构。这一交联网络不仅增强了胶粘剂的刚性，还提供了基础的粘结强度。随后，研究人员引入了一种柔性生物基聚酯——ESS（由环氧大豆油和癸二酸通过酯化缩聚反应合成），作为缓冲层。ESS通过氢键作用被整合到交联的胶粘剂体系中，其非晶区域能够有效吸收和分散应力，防止材料在受到外力作用时发生脆性断裂。

这种仿生设计在多个方面展现出显著的优势。首先，通过引入ESS，胶粘剂的预压强度得到了显著提升，从原始的大豆蛋白胶粘剂的0.26 MPa提高到了0.78 MPa，增幅达到了333.3%。这一改进不仅提升了胶粘剂在实际应用中的稳定性，还增强了其在不同环境条件下的适应能力。其次，在干湿条件下，胶粘剂的剪切强度分别达到了2.01 MPa和1.12 MPa，相较于原始材料分别提升了42.6%和261.3%。这一结果表明，该仿生胶粘剂在潮湿环境中依然能够保持良好的粘结性能，具有较强的环境适应性。此外，胶粘剂的粘附功（即材料表面相互作用的能力）也得到了显著提升，达到了225 mJ，相比原始材料提高了212.5%。这一指标的提升意味着胶粘剂的韧性得到了极大改善，能够更好地抵抗外力冲击和变形。

除了力学性能的提升，该仿生胶粘剂还表现出良好的水阻性和抗霉性。在模拟潮湿环境的条件下，胶粘剂的水阻性得到了有效增强，使其在木材加工等需要长期暴露于潮湿环境的应用中更具优势。同时，该胶粘剂在受控湿度条件下能够保持12天不产生霉菌，这一特性在木材加工和建筑材料领域尤为重要，因为霉菌的生长可能导致材料性能的下降，甚至引发健康问题。因此，这种仿生胶粘剂不仅在物理性能上优于传统材料，还在实际应用中展现出更高的安全性和可靠性。

值得注意的是，该仿生胶粘剂的设计还考虑了其环境友好性和可持续性。EM和ESS的原料均来源于可再生资源，如大豆油和癸二酸，这使得胶粘剂在生产过程中对化石资源的依赖大幅降低。此外，通过合理的工艺设计，该胶粘剂的生产过程也减少了对环境的污染，符合绿色制造和循环经济的发展理念。这种对可再生资源的利用，不仅有助于缓解全球石油资源的枯竭问题，还为实现低碳排放和减少废弃物提供了新的思路。

在实际应用中，该仿生胶粘剂的多功能性和广泛适用性使其成为一种极具潜力的替代材料。在木材加工领域，传统的胶粘剂往往需要在高温或高湿条件下进行固化，而这种仿生胶粘剂能够在常温常压下实现良好的粘结效果，降低了生产成本和能耗。在陶瓷修复领域，由于陶瓷材料的特殊性质，传统的胶粘剂可能无法满足其对强度和韧性的双重需求。而该仿生胶粘剂通过其独特的结构设计，能够同时提供高强度和韧性，使得修复后的陶瓷制品更加耐用和美观。此外，在其他如纺织、包装和电子制造等工业领域，该胶粘剂的性能优势同样可以得到充分发挥。

从材料科学的角度来看，该研究不仅为高性能生物基胶粘剂的设计提供了新的思路，还为解决传统胶粘剂在环境和健康方面的弊端提供了切实可行的方案。通过模仿自然界的结构特征，研究人员成功地将生物基材料的特性与高性能工程材料的优势相结合，创造出一种兼具强度、韧性、环境适应性和安全性的新型胶粘剂。这种跨学科的创新方法，展示了仿生学在材料科学中的巨大潜力，也为未来绿色材料的发展指明了方向。

此外，该研究还强调了可持续发展的重要性。在全球资源日益紧张和气候变化日益严峻的背景下，开发可再生、低污染的材料已成为当务之急。通过使用可再生资源作为原料，该仿生胶粘剂不仅减少了对化石资源的依赖，还降低了生产过程中的碳排放，有助于实现全球范围内的碳中和目标。同时，其良好的可回收性和可降解性也为材料的生命周期管理提供了新的可能，使得材料在使用结束后能够被有效地回收或处理，减少对环境的长期影响。

在实际应用中，这种仿生胶粘剂的推广和使用将对多个行业产生深远的影响。首先，在木材加工领域，该胶粘剂的引入将有助于减少甲醛等有害物质的排放，提高产品的环保等级，满足日益严格的环保法规要求。其次，在陶瓷修复和建筑行业，其优异的水阻性和抗霉性将大大延长产品的使用寿命，减少维护成本，提高整体的经济效益。此外，在电子制造和包装行业，其高强度和韧性将为精密部件的粘结和包装提供更可靠的保障，降低产品损坏的风险，提高生产效率。

从技术层面来看，该研究的创新点在于其结构设计和材料选择的结合。通过构建刚柔并济的复合结构，研究人员不仅提升了胶粘剂的力学性能，还优化了其在不同环境下的适应能力。这种结构设计方法为未来的材料开发提供了重要的参考，即通过模仿自然界的结构特征，可以有效解决传统材料在性能和环保方面的不足。同时，该研究还展示了如何通过合理的材料组合和工艺优化，实现材料性能的全面提升，为材料科学的发展提供了新的视角。

在材料合成和加工过程中，研究人员采用了多种先进的技术手段，以确保仿生胶粘剂的性能达到最佳状态。例如，通过控制反应条件和材料配比，可以有效地调节交联网络的密度和ESS的引入比例，从而实现对胶粘剂性能的精确调控。此外，利用现代分析技术，如傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和扫描电子显微镜（SEM），研究人员能够深入研究胶粘剂的微观结构和性能之间的关系，为材料的进一步优化提供了科学依据。

综上所述，该研究不仅在理论上为仿生材料的设计提供了新的思路，还在实践中为环保型胶粘剂的开发和应用开辟了新的途径。通过借鉴自然界的结构智慧，研究人员成功地创造了一种具有优异性能的生物基胶粘剂，其在强度、韧性、水阻性和抗霉性等方面均表现出显著优势。这种材料的开发和应用，不仅有助于推动绿色制造和可持续发展的进程，还为解决全球资源短缺和环境污染问题提供了新的解决方案。未来，随着技术的不断进步和应用的深入拓展，这种仿生胶粘剂有望在更多领域发挥重要作用，成为环保材料发展的重要里程碑。