仿穿山甲鳞片结构设计高强韧阻燃生物基聚氨酯胶粘剂

针对生物基聚氨酯(PU)胶粘剂机械强度与阻燃性难以兼顾的问题，研究人员受穿山甲鳞片结构启发，以蓖麻油(CO)和环氧化木质素(EL)替代石油基多元醇，构建"刚柔并济"的PU胶粘剂体系。该材料干剪切强度达7.15 MPa，热释放速率降低48%，生物质含量超70%，为高性能生物基胶粘剂开发提供新范式。

　　

在工程材料领域，聚氨酯(PU)胶粘剂因其优异的力学性能和低温耐受性，被广泛应用于航空航天、医疗器械等领域。然而传统PU严重依赖石油基多元醇，且存在机械强度与韧性难以平衡、易燃等缺陷。蓖麻油(CO)虽可作为可再生替代原料，但其长碳链结构导致材料强度不足；而添加无机填料又会牺牲环境友好性。更棘手的是，PU在燃烧时释放大量热量，存在严重火灾隐患。如何仿效自然界的智慧，开发兼具高强、高韧和阻燃性的生物基PU胶粘剂，成为材料科学领域的重大挑战。

南京林业大学的研究团队从穿山甲独特的鳞片-软组织复合结构中获得灵感，通过创新性的分子设计，成功研制出生物质含量超过70%的高性能PU胶粘剂。该成果发表于《European Polymer Journal》，其核心突破在于完全采用CO和环氧化木质素(EL)替代石油基原料，构建出类似穿山甲"刚性鳞片保护-柔性组织缓冲"的微观结构。研究人员采用界面环氧化技术改性木质素提升其反应活性，通过原位聚合法将EL作为刚性增强相嵌入CO基PU预聚物(COPU)网络。傅里叶变换红外光谱(FTIR)和热重分析(TGA)证实了化学交联网络的形成，透射电镜(TEM)显示EL有效分散于基体中形成纳米级增强结构。

材料表征与性能验证
通过动态力学分析(DMA)和拉伸测试表明，EL的刚性苯环结构与PU链段的氢键相互作用形成能量耗散网络，使材料干剪切强度达7.15 MPa，剥离功提升至1.975 J。锥形量热测试显示，EL的高碳含量促使燃烧时形成致密炭层，热释放速率(HRR)和总热释放量(THR)分别降低48%和22.5%。

作用机制解析
研究揭示EL发挥三重功效：其环氧基团与CO分支链形成拓扑缠结，增强内聚力；酚羟基与基材表面形成强粘附；芳香结构则通过自由基捕获机制实现气相阻燃。这种"刚柔协同"的设计使材料同时满足ASTM D1002和UL-94 V-0标准。

该研究开创性地实现了生物基PU胶粘剂强度-韧性-阻燃性的协同提升，其完全摒弃石油基原料的工艺路线，为绿色胶粘剂工业发展提供重要范式。特别值得注意的是，采用的木质素改性技术反应条件温和，避免了传统方法中甲醛等有毒试剂的使用，充分体现"自然启发-绿色制造-高性能输出"的可持续材料设计理念。这项成果不仅推动生物质资源高值化利用，更为开发下一代环境友好型工程胶粘剂指明方向。