树根启发的高强韧耐水生物质粘合剂：多孔硅藻土机械互锁结构设计

针对生物质粘合剂（SP）耐水性差、脆性高的瓶颈问题，北京林业大学团队受树根固土机制启发，通过引入硅藻土（DE）构建机械互锁结构，开发出兼具高韧性（提升247.6%）与耐水性（提升124.1%）的SP/DEPK粘合剂。该研究为生物基材料性能优化提供了仿生新策略，发表于《Sustainable Materials and Technologies》。

　　

在追求可持续发展的今天，传统石油基粘合剂的环境问题日益凸显。生物质粘合剂（如大豆蛋白SP）虽具环保优势，却长期受困于"强度-韧性"的博弈：提高交联密度虽能增强强度，却导致脆性增加；而亲水基团的存在又使其遇水易失效。这种矛盾严重制约了其在汽车、航空航天等高端领域的应用。自然界中，树木通过根系与土壤的机械互锁结构抵御强风的现象，为破解这一难题提供了灵感。

北京林业大学李建章团队在《Sustainable Materials and Technologies》发表研究，创新性地将多孔硅藻土（DE）引入SP基粘合剂体系。通过仿生树根固土机制，利用DE的孔隙结构（比表面积达42.3 m²/g）与硅烷偶联剂（KH560）修饰，构建了"物理互锁-化学交联"双网络。热压过程中，蛋白质链渗入DE孔隙形成类根系锚定结构，其作用类似于树根固结土壤：DE相当于多孔土壤基质，蛋白质链如同穿透基质的根系，外力作用时通过界面摩擦和能量耗散实现增韧。

关键技术方法

1. 材料改性：采用KH560对DE表面接枝环氧基团制备DEPK
2. 结构表征：通过FTIR验证Si-O-Si键（786 cm^-1）和环氧基（909 cm^-1）特征峰
3. 性能测试：参照ASTM D906标准进行拉伸和耐水性测试
4. 机理分析：结合SEM观察断面形貌与EDS元素分布

研究结果

1. 界面相互作用
   FTIR显示DEPK在3300-3700 cm^-1处羟基峰减弱，证实KH560成功修饰。XPS分析发现DEPK的Si2p电子结合能偏移0.8 eV，表明DE与SP形成Si-O-C共价键。

2. 力学性能突破
   含15 wt% DEPK的粘合剂表现出247.6%的韧性提升（达12.3 MJ/m³），断裂功提高至对照组的3.5倍。SEM显示断裂面呈现典型韧性断裂特征，DE颗粒周围存在明显塑性变形带。

3. 耐水机制
   水浸泡48小时后，DEPK组粘接强度保持率达82.4%，较对照组提升124.1%。CLSM三维成像显示DE孔隙中的蛋白质链形成连续网络，有效阻隔水分子渗透。

4. 工业适用性验证
   以杨木单板为基材的胶合板测试显示，DEPK粘合剂满足GB/T 9846-2015标准要求，且热压周期缩短15%。

结论与意义
该研究通过仿生树根-土壤互锁机制，开创性地将无机多孔材料（DE）作为物理交联点引入生物质粘合剂体系。不同于传统化学交联的增韧方式，机械互锁结构能在不牺牲材料加工性的前提下实现性能突破：一方面，DE孔隙中的蛋白质链通过摩擦耗散能量；另一方面，表面硅羟基与SP的共价交联增强界面结合。这种"双管齐下"的策略为生物基材料设计提供了新范式，其采用的DE原料储量丰富（全球年产量超200万吨）、成本低廉（约$0.5/kg），具有显著的工业化潜力。研究团队特别指出，该技术可拓展至其他多孔材料（如MOFs、生物炭）与生物聚合物（如纤维素、壳聚糖）体系，为开发下一代可持续工程材料开辟了新路径。