胶黏剂在工业生产与日常生活中具有广泛的应用价值。然而，当前大多数商用胶黏剂主要依赖于石油基原料，且普遍采用有机溶剂作为分散介质，这不利于可持续发展和绿色循环经济。
近年来，大豆蛋白、木质素、纤维素和淀粉等天然聚合物已被用于开发水性生物质胶黏剂。然而，众多研究集中在提升胶黏剂的耐水胶接强度，忽略了调节水性生物质胶黏剂中自由水的重要性。
在实际生产中，由于单板从涂胶到热压成型的阶段需要耗费一定时间，水性木材胶黏剂中的游离水暴露在空气中往往容易蒸发，这不仅限制了聚合物链的运动，还降低了胶黏剂对基材的润湿能力，进而影响界面胶接力的形成，导致胶合板胶接性能和产品稳定性不足，严重阻碍其实际应用。
近期，北京林业大学材料科学与技术学院李建章教授团队受植物细胞中水分保持和机械支撑结构的启发（图1），创新性地将苯硼酸修饰羧甲基纤维素和N，N-双（2-羟乙基）甘氨酸修饰聚乙烯亚胺引入蛋白（SM）基质中，在碱性条件下形成稳定的硼-氮（B-N）配位硼酯结构（ACN）作为强化网络。同时，引入两性离子聚合物P（AM-DMAPS）作为保水剂捕捉水分子，解耦大豆蛋白胶黏剂的保水和耐水胶合性能，制备具有高强度、优异耐水性、保水性及阻燃防霉性能的大豆蛋白胶黏剂。
该工作以“Decoupling of Bonding Strength and Water Retention in Aqueous Wood Adhesive Inspired by Plant Cell”为题发表在国际知名期刊《ACS Nano》上。北京林业大学博士研究生陈仕清为第一作者，北京林业大学李建章教授、姜帅成老师、曹自权老师为通讯作者。该工作得到了5·5北京林业大学工程科研创新团队（BLRC2023A02）、国家自然科学基金项目（32471787）、博士后创新人才支持计划（BX20240038）和北京市自然科学基金项目（2254096）的资助。
图1 胶黏剂的设计思路与性能优势
胶黏剂胶接与保水性能
SMAP胶黏剂制备的胶合板湿态胶合强度比对照组（SM胶黏剂）提高119%。在自然环境条件下暴露30 min时，SM胶黏剂发生预压失效，其湿态胶合强度降至0 MPa，这是由于水分蒸发限制了聚合物链的运动，致使胶黏剂与木材基材间无法形成有效的界面相互作用。相比之下，SMAP胶黏剂的预压强度暴露30 min后仍可达到0.48 MPa，其湿态胶合强度仅从1.14 MPa下降至0.95 MPa。 此外，即使延长暴露时间至60 min，SMAP胶黏剂制备的胶合板湿态胶合强度仍然保持在0.78 MPa，满足国家标准中II类室内胶合板的使用要求（GB/T 9846-2015，II类≥ 0.7 MPa），这归因于ACN和两性离子聚合物的引入增强了胶黏剂的保水性能和内聚力，从而提高了胶黏剂与基材之间的界面作用力。 这种协同作用成功解耦了大豆蛋白胶黏剂耐水胶接性能和保水性能之间的矛盾，不仅实现了胶黏剂胶接性能的显著提升，还显著延长了胶合板的成型制造时间。此外，SMAP胶黏剂还具有长期耐溶剂性能和优异的普适性。
图2 胶黏剂的胶接和保水性能
胶黏剂的强化和保水机制
分子动力学模拟表明，水分子更倾向于与P（AM-DMAPS）结合，促进自由水向结合水的转变，从而提升大豆蛋白胶黏剂的保水能力。蛋白基质中形成的硼酯键、氢键和静电相互作用等多重协同作用不仅增强了胶黏剂的内聚力，还在外力作用下赋予胶黏剂优异的能量耗散能力，从而表现出卓越的胶接性能。
图3 胶黏剂保水和胶接性能增强的机理分析
胶黏剂的阻燃和防霉性能
由于硼酸盐和两性离子聚合物中季铵盐基团的协同作用，SMAP胶黏剂具有优异的阻燃和防霉性能。
图4 胶黏剂的阻燃和防霉性能
受植物细胞中水分保持和机械支撑结构的启发，科研团队通过构建刚性的内部B-N配位硼酯结构作为强化网络以增强蛋白基质，辅以柔性的两性离子聚合物调节自由水分子状态以增强保水能力。这种独特的结构使胶黏剂具有优异的干、湿态胶合强度和长期耐溶剂性能。在自然环境条件下，该胶黏剂可以延长胶合板成型制造时间至1 h。此外，该胶黏剂具有良好的阻燃和防霉性能。这一策略实现了生物基大豆蛋白胶黏剂耐水胶接强度和保水性能的解耦，适用于实际应用中的木材粘接成型。
