羽毛角蛋白改性脲醛樹脂模壓秸稈花盆力學及降解性能

雍 宬，杜珂珂，孫恩惠，黃紅英，曲 萍，徐躍定，關明杰，張鶴鳴

（1. 江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所，南京 210014；2. 江蘇省固體有機廢棄物資源化利用協同創新中心，南京 210014；3. 南京林業大學材料科學與工程學院，南京 210037）

0 引 言

森林生物質、農業殘留物和能源作物構成了生物質資源的三大來源[1]，其中農業殘留物每年產量巨大，如果不加以合理利用不但會造成嚴重的資源浪費還會對環境產生污染。農作物秸稈作為一種農業殘留物具有產量大、分布廣的特點，利用潛力較大，是中國生物質資源利用重點方向之一。農業秸稈廢棄物在肥料和飼料方面已有廣泛而成熟的應用，但在材料化利用方面卻占比較少[2-4]，提高秸稈的材料化利用率有助于提高秸稈的綜合利用量并減少固體廢棄物污染。利用秸稈纖維較高比強度、比模量的優勢制備天然纖維復合材料是秸稈廢棄物材料化利用的途徑之一，例如：將秸稈纖維和膠黏劑按照一定比例混合均勻，通過熱壓或冷壓后固化成型后制備容器制品，或者將廢棄秸稈生物制漿后成型制備包裝材料。目前，秸稈纖維已被用于制作為農用秸稈育苗缽[5]、可降解秸稈地膜[6-7]等農業領域用復合材料。

秸稈本身富含植物纖維及一定量的碳（C）、氮（N）、磷（P）、鉀（K）等營養元素，合理堆肥或發酵工藝處置后適用于植株生長，用秸稈纖維代替塑料和陶瓷，輔以各種膠黏劑模壓制作秸稈花盆，為秸稈廢棄物的利用提供了一種有效途徑并減少了化工產品帶來的環境污染[8]，符合農業農村部《綠色發展技術導則（2018—2030）》對秸稈綜合利用的要求。然而，秸稈纖維表層富含蠟質層影響秸稈纖維和膠黏劑的界面膠合，秸稈纖維吸濕導致花盆濕強度差，機械性能低等諸多缺點[9-10]，無法大范圍推廣應用。研究表明，市售秸稈花盆采用的脲醛樹脂[11-12]等高性能膠黏劑可有效提高秸稈花盆的力學性能和耐水性，但脲醛樹脂膠黏劑縮聚固化后形成穩定的體型交聯結構，很難自然降解[13]，使用脲醛樹脂膠黏劑制備的秸稈花盆在達到使用壽命后丟棄容易造成二次固體污染，不符合農業綠色發展的需要。

研究表明，將可天然降解聚合物—蛋白質引入到脲醛樹脂的結構網絡中可提高其降解性能[14]。不同于其他植物蛋白，角蛋白除了是一種可天然降解聚合物外，大量的二硫鍵使其表現出高于其他蛋白質的機械強度，被稱為最堅韌的生物材料之一[15-16]。張平[17]通過將羽毛粉體和甘油共混制備熱塑性薄膜，研究表明，在增塑劑質量分數為30%，還原劑質量分數為2%，溫度130 ℃時經熱壓成型出較好力學性能的薄膜。王海洋等[18]以羽毛蛋白和羧甲基纖維素鈉為原料，甘油為增塑劑，采用澆筑法制備羽毛蛋白薄膜，各組分之間相容性好。Garrido等[19]研究發現，羽毛水解蛋白與大豆水解蛋白共混澆筑成薄膜能顯著提升薄膜的熱穩定性和力學性能。目前，中國畜禽養殖業每年都會有大量的動物羽毛因處理不當廢棄，其中較高的含硫量導致無論焚燒或者掩埋均會對環境造成嚴重污染，而加工成羽毛粉用于配合飼料制作昂貴豆餅，這個過程消耗大量水和能源，并引起禽流感等傳染病出現[20]。

綜上分析，如何從廢棄羽毛中提取角蛋白應用于脲醛樹脂接枝改性，制備一種綠色可降解型膠黏劑提升秸稈花盆力學性能和可降解性是亟待解決的重點問題。本研究從可再生資源以及廢棄物再利用角度出發，從廢棄羽毛中提取角蛋白改性脲醛樹脂，混合農業廢棄秸稈制備可自然降解秸稈花盆。探究角蛋白添加量對脲醛樹脂及秸稈花盆力學性能和降解性能的影響，擬為適用于秸稈基復合材料可降解膠黏劑配方的改進及制備降解型秸稈基花盆的工藝改進起到科學上的指導。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

廢棄雞毛取自江蘇省南京市孝陵衛菜市場，將雞毛中雜質挑出，洗凈烘干后裝入密封袋儲存于陰涼干燥處備用；水稻秸稈取自當季新鮮秸稈，江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所提供，粉碎至1～2 cm，粉末顆粒狀的秸稈腐熟劑（接種量1%，基于秸稈干質量，菌劑主要由枯草芽孢桿菌、婁徹氏鏈霉菌等多種復配而成），秸稈腐熟劑由南京寧糧生物工程有限公司提供。粉碎的秸稈混合秸稈腐熟劑均勻，調節秸稈物料含水率65%，秸稈物料在密封箱體內經12 d微生物改性處理，第6天出料翻堆1次，第12天出料曬干后獲得微生物改性的秸稈纖維；土壤取自江蘇省農業科學院院內試驗田，土壤類型為灰潮土，其有機質含量36.55 g/kg，全氮含量1.15 g/kg，全磷含量0.99 g/kg。

1.2 試驗方法

1.2.1 角蛋白的提取

將雞毛洗凈烘干后進行脫脂處理，然后浸入1 g/L的西曲溴銨（CTAB）溶液中處理4 h去除微生物，清洗，將洗凈后的雞毛烘干裝入密封袋備用。

取一定量的預處理雞毛，剪碎，浸入8 mol/L的尿素溶液中，加入雞毛質量10%的L-半胱氨酸，用20%氫氧化鈉（NaOH）溶液調節pH值至12，在水浴85 ℃下攪拌5h 后取溶液，然后以10 000 r/min速度離心15 min，取上清液，用濃度37%的鹽酸（HCL）溶液調節pH值至4沉淀出溶解的蛋白質，去離子水清洗直至清洗液變透明無色，得新鮮角蛋白，凍干后得角蛋白粉末[15]。

1.2.2 降解型脲醛樹脂的制備

采用“堿-酸-堿”尿素三步加入工藝制備脲醛樹脂，尿素與甲醛的總摩爾比為1∶1.4 （U∶F=1∶1.4），將一定質量的37%甲醛溶液加入反應釜，升溫至40～45℃ ，使用20%NaOH溶液調節pH值至8.0～8.5，加入第一階段尿素U1，反應10 min，升溫至65 ℃后加入尿素總質量2%的PVA-124，升溫至88～92 ℃，保溫50 min；使用10%氯化銨溶液調節pH值為5.0～5.5，加入第二階段尿素U2以及尿素總質量2%的三聚氰胺，保溫反應至終點；使用20%NaOH溶液調節pH值為7.5～8.5，加入第三階段尿素U3，反應20～30 min；使用20%NaOH溶液調節pH為7.5～8.5，冷卻至35 ℃出料。以尿素與甲醛物質的量總比值1∶1.4為最終比例。第一階段，第二階段和第三階段尿素與甲醛的摩爾比分別為1∶2.0，1∶1.5和1∶1.4；在第三階段加入尿素時，角蛋白添加量分別為尿素總質量的1%，3%和5%，改性脲醛樹脂分別記為K1UF，K3UF和K5UF，同時制備不含角蛋白對照組UF。

1.2.3 秸稈花盆的制備

將秸稈纖維與改性脲醛樹脂按照40%的施膠量采用拌膠方式混合均勻后[8]（同時添加纖維質量1%的石蠟作為防水劑），使用模壓機（山東滕州同力氣動液壓設備有限公司，中國）在溫度130 ℃，壓力10 MPa的熱壓條件下制備成型花盆，熱壓時間3 min，每個花盆質量（100±5）g。UF，K1UF，K3UF和K5UF制備的花盆分別記為F，F1，F3和F5。

1.2.4 降解型脲醛樹脂性能測試

1）基本理化性質測試

使用NDJ-5s型數字黏度計（上海安德儀器設備有限公司，中國）測量脲醛樹脂的黏度；使用烘干法測量脲醛樹脂的固含量；使用氯化銨法[20]測量脲醛樹脂中游離甲醛含量。

2）官能團變化測試

傅立葉紅外光譜分析測試：將脲醛樹脂在冷凍干燥機中冷凍干燥后研磨成粉末，采用Tensor 27型傅立葉紅外光譜儀（Nicolet iS50-Thermo Scientific，美國）對樹脂進行官能團變化表征分析，波數掃描范圍4 000～500 cm-1，分辨率采用4 cm-1，每個點掃描次數設置為32次。

3）熱力學性質測試

熱重測試：將脲醛樹脂在冷凍干燥機中冷凍干燥后研磨成粉末，采用S II 7200型熱重儀（HITACHI，日本）分析樹脂的熱降解性質，取6～8 mg樣品放置在坩堝中，控制升溫速率為10 ℃/min，溫度測試范圍30～600 ℃，全程在氮氣氣氛保護下進行，氣流速率180～200 L/min。

1.2.5 秸稈花盆性能測試

1）力學性能測試

將花盆鋸解成長×寬×厚為100 mm ×10 mm ×2 mm，參考GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》[21]，采用三點彎曲方法，利用微機控制電子萬能力學試驗機（CMT4304，深圳新三思計量技術有限公司，中國）測量計算花盆的抗彎強度（MOR）、彈性模量（MOE），加載速率2 mm/min。

2）微生物潛在降解能力試驗

將花盆底部平面部分制成長×寬×厚為50 mm ×50 mm ×2 mm大小后在紫外線燈下滅菌15 min，然后放置在非全養分瓊脂培養基上（培養基的制備方法參照標準ISO 846：2019[22]）。將孢子懸浮液（4.86 × 105 CFU/mL，從土壤中篩取混合微生物制成，0.15 mL）均勻涂布于樣品表面，置于28 ℃、90%濕度的培養箱中培養28 d。每2 d拍攝一次樣品照片，使用軟件（ImageJ，National Institutes of Health，v1.8.0，Bethesda，美國）計算并記錄微生物在花盆表面的生長面積，評價花盆潛在降解等級。

3）土壤掩埋降解測試

將F，F1，F3和F5鋸解，每種花盆取出30個長×寬×厚為100 mm×10 mm×2 mm大小的試樣稱取并記錄質量后分成6組，掩埋在地表20 cm以下進行花盆的土壤掩埋降解測試，掩埋地點為江蘇省南京市玄武區鐘靈街50號江蘇省農業科學院院內，土壤類型為當地田園土中常見的灰潮土，掩埋降解時間2020年8月4日—2021年2月4日，每一個月取出一組，用去離子水仔細清洗降解花盆試樣并烘干后稱取記錄質量計算花盆的降解速度。花盆降解質量百分比計算方法為

W=mi/M× 100%

式中W為花盆降解的剩余質量百分比，%；mi（i=1，2，3，4，5，6）為花盆每個月降解后的質量，g；M為花盆的初始質量，g。

2 結果與討論

2.1 脲醛樹脂基本理化性質分析

表1 為改性脲醛樹脂的基本理化性質。從表中可以看出角蛋白添加量越高，則改性脲醛樹脂的游離甲醛含量越低，相比于尿素，角蛋白含有更多的反應活性點可以與甲醛反應從而降低游離甲醛含量。同時從表1中可以看出隨著角蛋白質添加量的提高改性脲醛樹脂的黏度增大，尤其是K3UF的黏度達到了425.0 mPa·s，原因可能是角蛋白參與脲醛樹脂形成體型交聯結構，填充體系孔隙，使得體系的黏度增大[23-24]；而另一方面，在脲醛樹脂合成過程中，角蛋白中通過-COOH等基團接枝到了脲醛樹脂網絡結構中，使得脲醛樹脂的交聯結構更加復雜從而增加了其黏度。角蛋白的加入對脲醛樹脂的固含量并沒有明顯影響。

表1 改性脲醛樹脂的基本理化性質Table 1 The basic properties of modified urea-formaldehyde adhesive

2.2 脲醛樹脂的FTIR分析

圖1 為改性脲醛樹脂的FTIR曲線。從圖中可以看到樹脂在3 290 cm-1處有一個強吸收峰，這對應于自由的O-H和N-H官能團[25]，且K3UF的吸收峰最強，O-H和N-H基團數量的提高有利于氫鍵的形成，而蛋白質分子間的氫鍵有利于提高脲醛樹脂的鍵合強度。2 960 cm-1處的吸收峰對應亞甲基峰（C-H），隨著角蛋白添加量提高，亞甲基（C-H）峰逐漸減弱，脲醛樹脂中游離甲醛含量下降，與實際測得游離甲醛含量變化一致；2 900 cm-1附近的峰對應甲基振動峰（C-H），相較于UF，K1UF、K3UF和K5UF甲基（C-H）峰產生向更高波數方向移動（2 845→2 900 cm-1），說明改性后脲醛樹脂內部結構變得更加穩定，可能是角蛋白同時與甲醛和尿素反應，使其內部更加聚合。

1 540 cm-1處的峰對應于N-H官能團的彎曲振動帶，C-N官能團伸縮振動帶的特征峰出現在1 340 cm-1處，而1 006 cm-1處的峰值屬于C-O伸縮振動，在FTIR分析的基礎上可以推斷出角蛋白中的-NH和-COOH基團有利于與脲醛樹脂的共聚，從而形成交聯網絡[26-27]。

2.3 脲醛樹脂TG分析

圖2 顯示了改性脲醛樹脂的熱重TG和微分熱重DTG曲線。從圖2a中可以看出UF，K1UF、K3UF和K5UF的熱解分為4個階段，從TG數據中得到4個階段對應的溫度范圍分別為 0～100，100～250，250～400及400 ℃以上。第一階段為UF內自由水和結合水的揮發，質量損失約為2%；第二階段為結合水和羥甲基脲等不穩定的小分子的分解，質量損失約為13%；第三階段為脲醛樹脂交聯結構的熱分解，從圖2b中可以看出在這一階段UF的最大熱解峰較為平緩，最大熱解峰對應溫度為272.09 ℃，而K1UF，K3UF和K5UF的最大熱解峰則較為尖銳，最大熱解峰對應溫度分別為279.09，285.8和279.36 ℃說明角蛋白加入后脲醛樹脂交聯結構的起始熱解溫度變大且熱解溫度范圍更小，代表樹脂縮聚交聯結構的第三熱解峰對應溫度越高，膠黏劑的熱穩定性能越好，改性脲醛樹脂聚合程度越高；在第四階段的熱分解，與 UF相比，K1UF，K3UF和K5UF的最終殘留量降低，材料的自然降解是包含熱降解等在內的復雜過程[28]，脲醛樹脂更低的殘留量有利于其制備的復合材料自然降解后對環境的保護。

2.4 秸稈花盆的力學強度分析

圖3 為秸稈花盆F，F1，F3和F5的抗彎強度和彈性模量。由圖可知，經過角蛋白改性后的脲醛樹脂制備的秸稈花盆F1，F3和F5的抗彎強度和彈性模量分別為38.08，47.4，38.64和2 457，2 552，2 427 MPa，其中F3的力學強度提高最為明顯，其抗彎強度和彈性模量相比于F分別提高了85.59%和8.97%。秸稈花盆力學強度提高的原因一方面可能是角蛋白通過-NH和-COOH基團參與樹脂體型結構交聯有利于膠黏劑在基材表面延展滲透形成穩固的膠合界面，樹脂自身網絡結構的改變使得其膠合強度上升，另一方面，由于角蛋白改性脲醛樹脂的黏度提升，避免了在膠黏劑在纖維內的過渡滲透，形成細長且無效的“膠釘”，樹脂在基材之間更易形成優良的膠合界面層，致使花盆的力學強度提高[29-30]。同時，由于秸稈纖維經過生物改性處理，其表面的硅和蠟質層被去除，暴露出更多的-OH等基團，角蛋白中的-COOH等與這些經生物改性后暴露的基團之間形成化學鍵，從而提高了秸稈/脲醛樹脂復合花盆的力學性能[31-32]。而過多的角蛋白未參與體型結構交聯反應，以填充形式存在，引起樹脂和基材形成的膠合界面層強度的下降造成復合材料應力傳導過程的減弱，進而影響材料宏觀力學性能。

2.5 秸稈花盆的微生物潛在降解能力評價

表2 為微生物在材料表面生長情況等級評價表，生長等級越高，微生物在材料表面生長情況越好，材料的微生物分解和崩解能力越強。圖4為土壤微生物在秸稈花盆表面培養28 d后的生長情況，首先秸稈花盆中包覆膠黏劑溶解，容器表面氧化，進而秸稈微纖絲鏈段斷裂，脂肪族鍵和酯健的分解。而微生物生長和氮元素含量密切相關，合適的碳氮條件有利于促進微生物在秸稈花盆表面的生長。且由于秸稈自身含晶區和不定型區多種聚糖組成，可以為微生物的生長提供原料和養分，微生物在每種秸稈花盆表面生長面積和速度有差異。包覆秸稈外的膠黏劑的降解程度是引發微生物生長差異性的主要因素。由肉眼觀察可知，微生物在F表面覆蓋面積較小，生長面積百分比為68.0%；脲醛樹脂經角蛋白改性之后，微生物在F1，F3和F5的表面覆蓋面積分別達到78.1%，81.6%，91.2%，F1和F3表面上微生物生長等級達到了5級，在F5表面達到了6級。角蛋白為微生物提供了生長環境所需的氮源補充以達到合適的碳氮比例，這是除秸稈纖維以外的養分，而秸稈中的養分主要來自聚糖類物質的降解，角蛋白更有利于秸稈花盆在自然環境下的降解。

表2 微生物生長等級評價Table 2 Evaluation of microorganism growth grade

2.6 秸稈花盆的自然降解速率

如圖5所示為秸稈花盆經土壤掩埋之后的自然降解速度。由圖中可以看出秸稈花盆在前期的降解速度較快而后開始變緩，是因為在土壤掩埋前期溫度與濕度較高，更加適宜微生物的生長，秸稈花盆被微生物侵蝕的速度更快[33]。角蛋白添加量越高，秸稈花盆的降解速度越快，這與微生物在秸稈花盆表面的生長面積保持一致。6個月后，F1，F3和F5的剩余質量百分比分別為70.51%，69.32%，64.10%，相比于未改性脲醛樹脂模壓制備的秸稈花盆降解質量分別提升48.64%，54.64%，80.95%。與F1和F3相比，F5的降解速度更顯著，可能是因為當角蛋白添加量為尿素總量5%時，有部分角蛋白并未接枝到脲醛樹脂網絡結構上而是以游離形式存在，為微生物的生長提供了更多的養分，造成花盆更加快速的降解。

3 結 論

1）角蛋白替代部分尿素，與甲醛反應接枝到脲醛樹脂網絡結構上，降低脲醛樹脂的游離甲醛含量并提高其黏度，角蛋白中的-NH和-COOH基團有利于與脲醛樹脂的共聚，同時，熱重分析表明，經角蛋白改性后脲醛樹脂第三最大熱降解峰對應溫度提高，樹脂熱穩定性能提升，角蛋白添加量為尿素總量3%時改性脲醛樹脂形成體型交聯結構穩定，樹脂的熱穩定性最佳。

2）由角蛋白改性脲醛樹脂制備的秸稈花盆F1，F3和F5的彈性模量和抗彎強度分別為2 457，2 552，2 427和38.08，47.4，38.64 MPa，相比于未改性脲醛樹脂模壓制備的秸稈花盆，提升4.91%，8.97%，3.63%，和49.10%，85.59%，51.29%，當角蛋白添加量為尿素總量3%時，秸稈花盆的抗彎強度和彈性模量最大。

3）角蛋白改性脲醛樹脂模壓制備的秸稈花盆因其較高的氮含量有助于促進微生物在其表面的生長，這有利于土壤掩埋后提升秸稈花盆降解速度，6個月后秸稈花盆的剩余質量百分比分別為70.51%，69.32%，64.10%，相比于為改性脲醛樹脂模壓制備的秸稈花盆，降解質量分別提升48.64%，54.64%，80.95%。