摘要：开发基于生物质与二氧化碳的绿色聚合物材料是应对石化资源枯竭和环境压力的战略性突破方向。在众多新兴解决方案中，二氧化碳基聚碳酸酯多元醇（PPC）因其卓越的碳封存能力和替代石油基材料的巨大潜力而受到广泛关注。此外，木质素作为地球上储量最丰富的天然芳香族化合物，其与
开发基于生物质与二氧化碳的绿色聚合物材料是应对石化资源枯竭和环境压力的战略性突破方向。在众多新兴解决方案中，二氧化碳基聚碳酸酯多元醇（PPC）因其卓越的碳封存能力和替代石油基材料的巨大潜力而受到广泛关注。此外，木质素作为地球上储量最丰富的天然芳香族化合物，其与PPC的协同利用为可持续材料的开发提供了全新的思路和可能性。然而，如何有效整合这两类原料，构建兼具生物降解性、可回收性和可重复使用性的高性能聚合物体系，仍是其实现产业化过程中亟需解决的关键技术难题。
图1 LWPU乳液合成工艺
近日，华南理工大学刘伟峰和广东工业大学邱学青团队开创性地将二氧化碳基聚碳酸酯多元醇（PPC）与低分子量碱木质素（AOH）结合，通过结构设计与性能调控，开发了出一种木质素增强型水性聚氨酯胶黏剂（LWPU）。LWPU表现出优异的胶黏性能，在木板、铁板和铝板基底上的搭接剪切强度分别高达14.7 MPa、10.6 MPa和9.0 MPa，显著优于市售聚氨酯胶黏剂，并高于大多数已报道的同类产品。其优异的粘接性能可归因于以下机制：1. 对于木材基材，LWPU胶黏剂的双峰粒径分布能够实现多尺度渗透至木材微结构中，并在固化过程中通过聚合物-基材间的相互作用形成牢固的机械互锁结构； 2. 对于金属基材（如铁、铝等），极性基团与金属表面之间形成的金属配位键显著增强了界面粘附力； 3. 木质素诱导形成的纳米微相分离结构，结合氢键介导的界面相互作用，协同提升了界面附着力； 4. 优异的力学性能有效抑制了胶膜内部的裂纹扩展，显著增强了胶粘剂基体的内聚力。
图2 LWPU胶黏剂的粘接机理
得益于木质素固有的刚性芳香结构及其丰富的极性基团，该材料在极端温度（-30°C至100°C）、高湿环境（95% ± 5% RH）以及72小时紫外线辐照条件下，仍展现出优异的胶黏性能。此外，木质素增强的双动态键网络（包含共价键和氢键相互作用）使LWPU粘合剂在铁板和铝板上的重复使用次数达到至少10次而不会显著降低粘接强度；同时，在经过乙醇回收处理后的木板上仍表现出高达10.2 MPa的搭接剪切强度。
PPC和木质素作为石油基多元醇的可持续替代品，有效地解决了胶黏剂不可降解和不可重复使用的局限性。本研究还为木质素在符合循环经济的生物基水性聚氨酯材料中的高值利用开辟了一条新途径。相关成果以“Sustainable Waterborne Polyurethane Adhesive With Superstrong Adhesion Performance and Excellent Weatherability from Biomass Lignin and CO2-Based Polyols”为题，近期发表在 Advanced Functional Materials上。论文第一作者为华南理工大学化学化工学院2022级博士生李蕊，华南理工大学刘伟峰和广东工业大学朱冬雨为论文共同通讯作者。成果得到国家自然科学基金项目（22222805，22038004，22478133，U23A6005）、广州市重点科技研发计划项目（2024B03J1380）、广东省自然科学基金青年发展项目 (2023A1515030135)、 广东省化学与精细化工实验室揭阳中心资助。近年来，作者团队专注于木质素在高分子材料中的高值利用研究，不追热点，坚持把冷板凳坐穿，在木质素改性橡胶、塑料、聚氨酯、胶黏剂等体系，利用木质素本身的天然结构和功能优势，实现了对不同高分子体系的增强增韧高性能化及功能化，为木质素这一大宗工业生物质资源在高分子材料领域的高值利用探索新理论和新方法，欢迎交流合作，推动应用转化。
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来源：高分子科学前沿