大豆蛋白基改性膠粘劑在藝術設計造型中的應用

摘 要：以藝術設計用大豆蛋白基膠粘劑為設計原型，考察了變性劑類型對膠粘劑結構、固體含量、黏度和耐水性的影響，并在此基礎上優化了膠粘劑膠合板的熱壓工藝。結果表明，交聯劑改性的大豆蛋白基膠粘劑中已經形成了致密的共價交聯網絡結構。相較未添加交聯劑改性的大豆蛋白基膠粘劑，硼砂+亞硫酸鈉復合變性劑改性大豆蛋白基膠粘劑的吸水值相對較大、凝膠含量相較有所減小，而BEPH變性劑改性大豆蛋白基膠粘劑和BHTA變性劑改性大豆蛋白基膠粘劑的吸水值相對較小、固體含量和黏度相對較低，適宜的藝術設計用膠粘劑為BHTA變性劑改性大豆蛋白基膠粘劑。

關鍵詞：藝術設計；膠粘劑；改性；影響因素；性能

中圖分類號：TQ432.7 + 3 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）03-0051-04

Application of soybean protein-based modified adhesivein art design and modeling

DAI Hongmei

（Yanjing Institute of Technology，Langfang 065201，Hebei China）

Abstract：Taking the soybean protein-based adhesive for art design as the prototype，the effects of denaturant typeon the adhesive structure，solid content，viscosity and water resistance were investigated，and the hot pressing pro?cess of adhesive plywood was optimized on this basis. The results showed that a dense covalent cross-linking net?work structure had been formed in the soybean protein-based adhesive modified by the crosslinker. Compared withthe soybean protein-based adhesive modified without crosslinker，the water absorption value of the soybean pro?tein-based adhesive modified by borax+sodium sulfite composite denaturant was relatively large，and the gel contentwas reduced，while the water absorption value of the soybean protein-based adhesive modified by BEPH denaturantand the soybean protein-based adhesive modified by BHTA denaturant was relatively small，and the solid contentand viscosity were relatively low. The suitable adhesive for art design is a BHTA denaturant modified soy pro?tein-based adhesive.

Key words：art and design；adhesive；modification；influencing factors；performance

視覺藝術設計中需要采用不同的物質來進行藝術表達，各種不同類型的材料在形成最終成品時，都需要不同程度使用膠粘劑 [1] ，而膠粘劑的耐水性、粘接性能等會在很大程度上影響藝術品的使用性能和藝術性 [2] 。隨著近年來人們對藝術品要求的逐漸提高，而部分膠粘材料會不斷釋放影響身體健康的有機揮發物 [3-5] ，因此，藝術設計用環保型膠粘劑需求正逐漸提高。此外，由于雨水淋濕等造成藝術品粘接強度降低等 [6] 現象也在全國各地出現。因此，有必要開發出新型藝術設計用膠粘劑，以滿足現代藝術對膠粘劑耐水性和膠接性能的要求 [7-9] 。研究選取大豆蛋白膠粘劑為研究對象，擬通過變性劑改性的方法對大豆蛋白膠粘劑進行改性處理，并考察了不同變性劑對膠粘劑結構、固體含量、黏度和耐水性的影響，在此基礎上優化了膠粘劑膠合板的熱壓工藝，結果可為藝術設計用膠粘劑的開發與應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗材料包括1，6-己二醇縮水甘油醚（BEPH，環氧值0.68）、三乙烯四胺（TETA）、食品級大豆蛋白、合成變性劑BHTA、市售分析純硼砂、工業純亞硫酸鈉和楊木板（200 mm×80 mm×2 mm）。

1.2 試樣制備

共制備了4種藝術設計用膠粘劑，分別為大豆蛋白基膠粘劑（SPI）、硼砂+亞硫酸鈉復合變性劑改性大豆蛋白基膠粘劑（SPI/D）、BEPH變性劑改性大豆蛋白基膠粘劑（SPI/D/BEPH）、BHTA變性劑改性大豆蛋白基膠粘劑（SPI/D/BHTA）。

將改性膠粘劑涂覆在楊木板上，設定涂覆量為190 g/m 2 ，采用不同熱壓條件進行熱壓處理，制備得到雙層膠合板試樣 [10] ，室溫固化24 h后進行力學性能測試。

1.3 測試與表征

采用珀金埃爾默Spectrum Two 紅外光譜儀對交聯劑和膠粘劑進行紅外光譜分析；采用XL7-100B便攜式粘度計對膠粘劑黏度進行測試 [11] ；采用溶膠-凝膠法測試膠粘劑的凝膠含量 [12] ；膠粘劑固化后置于50 ℃、濕度85%的環境中進行耐水性測試，稱量測試前后質量并計算吸水值 [13] ；根據GB/T 17657標準，在GNT300型拉伸試驗機上進行室溫拉伸性能測試，分別測試干態剪切強度、濕態剪切強度（60 ℃水中浸泡4 h）。

2 結果與分析

2.1 交聯劑

交聯劑的紅外光譜圖如圖1所示。

由圖1可知，3種交聯劑的紅外光譜圖較為相似，其中，BHTA和TETA分別在2 862 cm -1 和2 807 cm -1位置處出現—CH 2 伸縮振動峰，BEPH的紅外光譜圖中可見環氧基團特征峰。由于在制備交聯劑BHTA過程中發生了氨基與環氧基的交互反應 [14] ，紅外光譜圖中可見—CH 2 伸縮振動峰的位置偏移。

不同改性膠粘劑的紅外光譜圖如圖2所示。

由圖2可知，對于大豆蛋白基膠粘劑，在3 250 cm -1 ～3 450 cm -1 位置處可見N—H伸縮振動峰和O—H伸縮振動峰，在2 850 cm -1 ～3 050 cm -1 位置處可見C—H伸縮振動峰，在1 630 cm -1 位置、1 520 cm -1 位置處、1 390 cm -1 位置處可見C===O伸縮振動峰、N—H彎曲振動峰和—COOH吸收峰。經過改性處理后，3種改性膠粘劑的紅外光譜圖中的—COOH特征峰強度明顯減弱，這也就說明對大豆蛋白基膠粘劑進行改性處理過程中，交聯劑的存在會與膠粘劑中的環氧基團發生開環反應而消耗—COOH [15] 。可見，交聯劑改性的大豆蛋白基膠粘劑中已經形成了致密的共價交聯網絡結構。

2.2 物理特性

進一步對大豆蛋白基膠粘劑及改性膠粘劑進行了凝膠含量測試，不同膠粘劑試樣的凝膠含量測試結果如圖3所示。

由圖3可知，未加入交聯劑改性的大豆蛋白基膠粘劑的凝膠含量為80.5%；經過交聯劑改性處理后，硼砂+亞硫酸鈉復合變性劑改性大豆蛋白基膠粘劑的凝膠含量相較有所減小，約為56.9%；BEPH變性劑改性大豆蛋白基膠粘劑和BHTA變性劑改性大豆蛋白基膠粘劑的凝膠含量分別為81.8%和93.4%。相較未添加交聯劑改性的大豆蛋白基膠粘劑，硼砂+亞硫酸鈉復合變性劑改性大豆蛋白基膠粘劑的凝膠含量相對較低，而BEPH變性劑改性大豆蛋白基膠粘劑和BHTA變性劑改性大豆蛋白基膠粘劑的凝膠含量相對較高。這主要是因為交聯劑的加入會與原始膠粘劑發生化學交聯改性，大豆蛋白分子會發生破壞而影響凝膠含量 [16] 。

不同膠粘劑試樣的固體含量和黏度測試結果如表1所示。

由表1可知，對于未加入交聯劑改性的大豆蛋白基膠粘劑的固體含量和黏度分別為16.2%和26691mPa·s；經過交聯劑改性處理后，硼砂+亞硫酸鈉復合變性劑改性大豆蛋白基膠粘劑的凝膠含量相較有所減小，固體含量和黏度分別為16.1%和14 572 mPa·s；BEPH變性劑改性大豆蛋白基膠粘劑和BHTA變性劑改性大豆蛋白基膠粘劑的固體含量分別為 16.0%和15.7%，黏度分別為6 485 mPa·s和8 882 mPa·s。可見，相較未添加交聯劑改性的大豆蛋白基膠粘劑，SPI/D的固體含量（16.1%）和黏度（14 572 mPa·s）相對較低，而SPI/D/BEPH和SPI/D/BHTA的固體含量和黏度也相對較低，且BEPH變性劑改性大豆蛋白基膠粘劑的黏度最小。這主要是因為在膠粘劑制備過程中，交聯劑會與大豆蛋白基膠粘劑發生反應，改善內部結構和致密性 [17] ，膠粘劑中的固含量和黏度會有所減小。

2.3 耐水性

不同膠粘劑試樣的吸水值測試結果如圖4所示。

由圖4可知，未加入交聯劑改性的大豆蛋白基膠粘劑的吸水值為23.3%；經過交聯劑改性處理后，硼砂+亞硫酸鈉復合變性劑改性大豆蛋白基膠粘劑的吸水值相較有所增加，約為25.8%；BEPH變性劑改性大豆蛋白基膠粘劑和BHTA變性劑改性大豆蛋白基膠粘劑的吸水值分別為20.4%和18.5%。相較未添加交聯劑改性的大豆蛋白基膠粘劑，SPI/D的吸水值相對較大，而SPI/D/BEPH和SPI/D/BHTA的吸水值相對較小。這主要是因為改性處理后，膠粘劑中的環氧基會與親水集團發生反應而形成交聯網絡結構，有助于提高膠粘劑致密性并抑制水的滲透 [18] ，耐水性會有所提高。

2.4 粘接性能

表2為不同工藝下膠粘劑的粘接性能。

由表2可知，選取BHTA變性劑改性大豆蛋白基膠粘劑作為藝術設計用膠粘劑，共設計了9組熱壓工藝，考察了熱壓溫度、熱壓時間和熱壓壓力對膠接接頭干態剪切強度、濕態剪切強度的影響。其中，熱壓溫度分別為98、118 ℃和138 ℃，熱壓時間分別為5、10和15 min，熱壓壓力分別為1、3 MPa和5 MPa。可見，當熱壓溫度為98 ℃、熱壓時間為5 min和熱壓壓力為1 MPa時，膠合板的干態剪切強度和濕態剪切強度分別為1.22 MPa和0.75 MPa；當熱壓溫度為98 ℃、熱壓時間為10 min和熱壓壓力為3 MPa時，膠合板的干態剪切強度和濕態剪切強度分別為2.11 MPa 和0.87 MPa；當熱壓溫度為98 ℃、熱壓時間為15 min和熱壓壓力為5 MPa時，膠合板的干態剪切強度和濕態剪切強度分別為1.51 MPa和0.63 MPa；可見，熱壓溫度不變時，改變熱壓時間和熱壓壓力都會對膠合板的干態剪切強度和濕態剪切強度產生影響。但是過高的熱壓溫度會使得膠粘劑中水分揮發加劇，不利于膠粘劑成型 [19] 。

通過熱壓工藝優化可知，當熱壓溫度為118 ℃、熱壓時間為 10 min 和熱壓壓力為 5 MPa 時，膠合板的干態剪切強度和濕態剪切強度最大，分別為3.41MPa和1.58 MPa，此時膠合板的濕態剪切強度滿足GB/T 9846—2015標準對藝術設計用Ⅱ型膠合板的要求。整體而言，在大豆蛋白基膠粘劑中加入變性劑有助于提升膠粘劑的流動性，改善膠粘質量并在內部形成了致密的網絡交聯結構 [20] ，粘接強度提高的同時耐水性會有所改善。

2.5 膠粘劑在提升視覺藝術設計中的應用

結合視覺藝術設計用膠粘劑對耐蝕性和粘接性能的使用需求，適宜的視覺藝術設計用膠粘劑為BHTA變性劑改性大豆蛋白基膠粘劑。適宜的熱壓溫度為118 ℃、熱壓時間為10 min、熱壓壓力為5 MPa，此時膠合板的干態剪切強度和濕態剪切強度最大，膠合板的濕態剪切強度滿足GB/T 9846—2015標準對視覺藝術設計用Ⅱ型膠合板的要求。

3 結語

（1）經過交聯劑改性處理后，硼砂+亞硫酸鈉復合變性劑改性大豆蛋白基膠粘劑的凝膠含量相較有所減小，固體含量和粘度分別為16.1%和14 572 mPa·s；BEPH變性劑改性大豆蛋白基膠粘劑和BHTA變性劑改性大豆蛋白基膠粘劑的固體含量分別為16.0%和15.7%，黏度分別為6 485 mPa·s和8 882 mPa·s；

（2）相較未添加交聯劑改性的大豆蛋白基膠粘劑，SPI/D的吸水值相對較大，而SPI/D/BEPH和SPI/D/BHTA的吸水值相對較小；

（3）熱壓溫度不變時，改變熱壓時間和熱壓壓力都會對膠合板的干態剪切強度和濕態剪切強度產生影響。熱壓壓力提升和熱壓時間延長都會促進膠粘劑與基材的相互滲透，提高膠粘劑的固化質量從而提升粘接強度。

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（責任編輯：蘇 幔）