在工業(yè)生產(chǎn)中，聚氨酯熱熔膠(PU-HMAs)因其快速固化、強粘接力和多基材適用性成為不可或缺的材料。然而，傳統(tǒng)PU-HMAs面臨著三重困境：原料依賴石油基不可再生資源、生產(chǎn)過程中使用劇毒異氰酸酯單體、廢棄后難以降解的環(huán)境負擔。據(jù)統(tǒng)計，全球每年消耗約200萬噸聚氨酯膠粘劑，其碳足跡相當于燃燒50萬噸標準煤。更嚴峻的是，異氰酸酯被世界衛(wèi)生組織列為潛在致癌物，長期暴露會導致呼吸系統(tǒng)疾病——這促使科學家們尋找更安全環(huán)保的替代方案。
針對這一行業(yè)痛點，印度科學院國家化學實驗室(CSIR-National Chemical Laboratory)的Gorakh Hiraman Ghuge和Kiran Sukumaran Nair領導的研究團隊，創(chuàng)新性地將目光投向生物基聚羥基聚氨酯(PHU)材料。他們從木質(zhì)素和糖類中提取兩種二碳酸酯單體：含呋喃側(cè)基的BGF-PF-DC和不含側(cè)基的BGF-DC，與Priamine 1074胺類固化劑反應，開發(fā)出新一代環(huán)保膠粘劑。這項突破性成果發(fā)表在《Reactive and Functional Polymers》期刊，為綠色膠粘劑領域樹立了新標桿。
研究團隊采用多尺度表征技術(shù)體系：通過傅里葉變換紅外光譜(FTIR)確認呋喃環(huán)特征峰(1015 cm-1)，差示掃描量熱法(DSC)測定玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)，熱重分析(TGA)評估熱穩(wěn)定性，萬能試驗機進行搭接剪切強度測試(ISO 4587標準)，并創(chuàng)新性地設計了水下粘接和高溫老化實驗。針對PHU6-PF100樣品，進一步利用核磁共振(1H NMR)追蹤狄爾斯-阿爾德(DA)反應進程，通過雙馬來酰亞胺(BMI)交聯(lián)實現(xiàn)材料功能化改性。
材料設計與表征
研究人員設計出PHU1-PHU6六個配方體系，系統(tǒng)調(diào)節(jié)BGF-PF-DC/BGF-DC比例(0-100%)。動態(tài)機械分析(DMA)顯示，含100%呋喃側(cè)基的PHU6-PF100儲能模量達1.2 GPa(25°C)，證實呋喃環(huán)可增強材料剛性。X射線光電子能譜(XPS)在結(jié)合能399.8 eV處檢測到呋喃環(huán)氮原子特征峰，為結(jié)構(gòu)確證提供直接證據(jù)。
粘接性能突破
在鋁合金基材上，PHU6-PF100展現(xiàn)出9.27 MPa的剪切強度，比商用環(huán)氧膠高23%。更驚人的是其水下粘接性能——在去離子水中浸泡24小時后仍保持8.15 MPa強度，歸因于呋喃環(huán)的疏水效應。循環(huán)測試表明，該材料可重復使用5次而強度衰減<15%，遠超傳統(tǒng)熱熔膠的單一使用特性。
高溫穩(wěn)定性機制
通過DA反應將PHU6-PF100與BMI交聯(lián)后，Tg從62°C提升至89°C。雖然交聯(lián)使室溫粘接強度降低至6.8 MPa，但在50°C老化測試中，改性樣品強度保持率(92%)顯著優(yōu)于未改性樣品(67%)，證明交聯(lián)網(wǎng)絡可有效抑制高溫鏈段運動。
可持續(xù)性評估
根據(jù)ASTM D6866標準計算，所有配方可再生碳含量(RC)達89-90%，生命周期評估(LCA)顯示碳足跡比石油基PU-HMAs降低62%。毒性測試證實材料完全不含游離異氰酸酯，解決了職業(yè)健康隱患。
這項研究實現(xiàn)了三大創(chuàng)新：首次將呋喃側(cè)基引入PHU熱熔膠分子設計，開發(fā)出首例可DA反應改性的生物基膠粘劑，創(chuàng)立了"可逆交聯(lián)-高溫穩(wěn)定"的新型材料策略。其意義不僅在于性能參數(shù)突破，更開創(chuàng)了將動態(tài)共價化學引入環(huán)保膠粘劑的新范式。正如通訊作者Kiran Sukumaran Nair指出："這種材料就像分子級別的魔術(shù)貼，既可以通過DA反應‘鎖死’網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)來應對高溫環(huán)境，又能保持生物基材料的綠色本質(zhì)"。該技術(shù)已申請PCT國際專利，在汽車輕量化、海洋工程等領域展現(xiàn)出應用前景，為全球減碳目標提供了新材料解決方案。
