冶金工業——精彩回顧

劉敬成 副教授江南大學

演講大綱：

主要介紹生物基環氧樹脂和生物基光固化樹脂的合成、性能研究及其在膠黏劑等領域的應用，并進行簡要的總結和展望。

内容：

生物基高分子材料、輻射固化介紹、生物基環氧樹脂、生物基光固化樹脂、生物基樹脂的應用、結論與展望

課程開始，劉教授帶我們回顧了一下童年，那麼大家還記得兒時的春聯是用什麼當做粘膠劑的嗎？答案是“漿糊”。

那麼“漿糊”最主要的成分呢，就是澱粉了。

澱粉

澱粉是一種天然的高分子碳水化合物，在增稠劑、保水劑、膠黏劑、塗料和上光劑等行業被廣泛地應用.按來源的植物品種，澱粉可分為玉米澱粉、土豆澱粉、地瓜澱粉、木薯澱粉、高梁澱粉和大米澱粉等。澱粉的分子結構式為（C6H10O5）n，其中括号内的C6H10O5為脫水葡萄糖單元，n為分子的聚合度，即澱粉分子是由n 1個葡萄糖分子經脫水反應，形成糖苷鍵相互連接而成的天然高分子化合物，其聚合度一般在800-3000之間。根據澱粉分子的結構，可把澱粉分為直鍊澱粉和支鍊澱粉兩種形式。直鍊澱粉和支鍊澱粉在不同的植物所得到的澱粉中含量不同。

澱粉的化學改性

原始澱粉有一些缺點,例如，它的粘度和增稠能力在加熱時會變差,缺乏對特定功能所需的基團等而限制了它的應用。

因此,為了減少其局限性和拓展其應用,對澱粉進行改性是有必要的。

木材加工工業的膠黏劑

目前應用于木材加工工業的膠黏劑主要以醛基膠黏劑（脲醛樹脂、酚醛樹脂、三聚氰胺－甲醛樹脂）應用最為廣泛。每年國内人造闆加工工業膠黏劑消耗量約為1600多萬噸，其中脲醛樹脂及其改性樹脂消耗量約為1400多萬噸，約占總消耗量的90%；酚醛樹脂膠黏劑使用量約為140萬噸，約占總用量的9%；非甲醛類異氰酸酯膠黏劑年消耗量約為1000噸，生物基大豆蛋白基膠黏劑年消耗量約為5000噸。

大豆蛋白膠黏劑

我國大豆的産量大約占全球植物蛋白總量的 65%左右，位居世界第四。大豆的營養價值較高，蛋白質含量豐富，早期作為原材料加工成食用油和食用蛋白等，近年來，研究人員将它作為木材膠黏劑的原料進行了相關研究。

大豆蛋白經過加工處理，得到四類大豆蛋白。根據蛋白質的含量的不同，由低到高分為：大豆渣(SD)、大豆粉(SF)、大豆濃縮蛋白(SPC)和大豆分離蛋白(SPI)

使用大豆蛋白直接制備得到的大豆蛋白膠黏劑的性能較差：粘結強度低、耐水性和耐腐性不強。這是由于蛋白質分子中氫鍵、二硫鍵等化學鍵的作用，使蛋白質分子内部緊密連結在一起，膠黏劑的粘度低；而分子中親水基團暴露在外部、疏水基團在内部，使得膠黏劑的耐水性能很差。

蓖麻油

蓖麻油是一種含有多個羟基的化合物。蓖麻油中含羟基的蓖麻油酸超過脂肪酸總量的90%，其中約含有 70%左右的甘油三蓖麻油酸酯和 30%甘油二蓖麻油酸酯、單亞油酸酯等，利用羟基的反應活性，蓖麻油可用在聚氨酯膠黏劑。

聚氨酯膠黏劑

(1)聚氨酯含有極性強、化學活潑的異氰酸酯基（-NCO）和氨酯基（-NHCOO-），它與含有活潑氫的材料，如泡沫塑料、木材、皮革、織物、紙張、陶瓷等多孔材料和金屬、玻璃、橡膠、塑料等表面材料，都有着優良的化學粘接力。而聚氨酯與被粘接材料之間産生的氫鍵作用，使高分子内聚力增加，從而使粘接更加牢固。

(2)異氰酸基有很高的反應活性，能與含活潑氫基的(-OH，-NH2，-COOH等)發生作用。這種類型的膠粘劑可以制成雙組份，也可以制成單組份。

(3)聚氨酯膠粘劑有較好的韌性，可用于粘接軟質材料和硬質材料。

(4)有良好的耐超低溫性能，而且粘接強度随着溫度的降低而提高，是超低溫環境下理想的粘接材料和密封材料。

(5)耐溶劑性、耐油性、耐老化性能優良。

(6)膠接工藝簡便。聚氨酯膠粘劑可以加熱固化，也可以室溫固化，施用工藝簡便，操作性能良好。

(7)價格适中，性價比誘人。

(8)性能的可設計特點。

什麼是輻射固化？

“輻射固化 … 是指通常液态低粘度的流體在輻射源（紫外光線或者電子束）的照射下，瞬間轉變成具有保護或者裝飾功能的高分子聚合物或高度交聯的固态膜。這一體系通常是100%固體份的。”

配方組成及功能

引發劑 吸收光能引發反應；

單體 控制粘度，固化速率，固化程度，附着力，表面粘性，表面硬度和耐候性等等；

齊聚物 控制成膜物的特性，如漆膜強度，柔韌性，透明性，硬度，耐性，附着力，耐磨性，光澤等等；

助劑 着色劑，工藝助劑 （黏度，潤濕，流動性等），效果助劑 （色彩，手感，抗光，耐熱，阻聚等）顔料， 染料，填料，滑爽劑，硬化劑，光和熱穩定劑等等。

配方中常用的樹脂

環氧丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯齊聚物、聚氨酯丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯齊聚物、聚酯丙烯酸酯齊聚物、特種純丙烯酸酯齊聚物、氨基丙烯酸酯齊聚物、特種齊聚物 。

産業鍊結構與應用方向

總結與展望

生物基材料由于具有可持續發展、環境污染小等特點，已經成為研究熱點，可以從以下幾個方向開展工作：

（一）生物基材料高值化研究

（二）生物基材料制造關鍵技術

（三）生物基化學品的産品研發

（四）木質複合材料制造關鍵技術研究

（五）生物基功能高分子材料的設計與制造

（六）生物質基高性能樹脂的制備與應用

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