基于成本管理的天然環保膠粘材料設計與應用研究

中圖分類號：TQ432 文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）10-0005-04

Research on the design and application of natural environmentally friendly adhesive materials based on cost management

XU Xindi （Yantai Vocational College，Yantai26467O，Shandong China）

Abstract：Adhesives are widelyused indailylife.Inorder toreduce the productioncostof adhesives，three kinds of adhesives were designed based on cost management requirements.The physical properties，water resistance，adhesive strength and heat resistance of soybean adhesive，peanut adhesive and cotonseed adhesive were compared and analyzed.The results showed thatthe soybean adhesive was milkywhite，the peanutadhesive was brown，andthe cottonseedadhesivewasbrownishyellow.The higherthepHvalueof theadhesive，thehighertheviscosityandthesmaller the solid content.The thermal decomposition temperatures of soybean adhesive，peanut adhesive and cottonseed adhesive were 310.1，304.9 and 254.1 ΔC ，respectively. The bonding strength of the three adhesives in the dry environmentis the largest，followedbythe warm water environment，and the bonding strength inthe boiling water environmentistesmallest.Thebonding strengthofthethree adhesives is higherthanO.7MPa，whichmeets therequirements ofthenationalclassIplywoodstrength standard.Inthewarm waterandboiling waterenvironment，thebonding strength ofthecottonseedadhesiveishigherthanthatoftheothertwoadhesives;afterthemodificationtreatment，thecontactangle ofthe modified adhesive increasedto varying degrees，and the surface energy decreased to varying degrees.

Key Words ： cost management; adhesive ; design; physical property; water resistance; heat resistance

蛋白膠粘劑作為一種以動物和植物蛋白質為原料而反應制成的膠粘劑，主要包括植物蛋白膠粘劑和動物蛋白膠粘，如用豆膠制作的蛋白膠粘劑和用骨膠、血清蛋白等制作的膠粘劑等，這些蛋白膠粘劑在固化狀態時具有較高的黏度強度，在家具制作、木制品生產和紙箱等領域有著廣泛應用，但是由于蛋白膠粘劑固有物性，其在使用過程中會由于耐熱性不足以及耐水性較差等問題影響其應用范圍2-4]。隨著現代食品包裝等領域對于膠粘劑質量要求的提高，含有甲醛的膠粘劑逐步被取代[5，而蛋白膠粘劑以其不含甲醛的特點受到廣泛關注，但是傳統植物蛋白膠粘劑存在耐水性差、耐熱性差和膠合強度不足等問題[79，其應用范圍還受到成本控制、物料來源等影響。本文選擇價格低廉、物料豐富的大豆粕、花生粕、棉籽粕為原料，采用化學改性交聯工藝制備了大豆膠粘劑、花生膠粘劑和棉籽膠粘劑并對比分析了物性、耐水性、膠合強度和耐熱性能，結果將有助于低成本植物蛋白膠粘劑的開發并推動其在更廣泛領域的應用。

1試驗部分

1.1 試驗材料與設備

試驗材料包括價格低廉、物料豐富的大豆粕、花生粕、棉籽粕，以及十二烷基硫酸鈉（SDS）改性劑和納米二氧化硅nSiO2改性劑，交聯劑則選用聚酰胺環氧氯丙烷樹脂（PAE）。

設備：INSTRON5500型微機伺服控制萬能材料試驗機；PerkinElmerDSC8000型差式掃描量熱儀；FTIR-1600傅里葉變換紅外光譜儀；SL2800型接觸角測量儀。

1.2 試樣制備

將58g粕粉（大豆粕、花生粕、棉籽粕）加入 200g 水中，加熱至 58^°C 攪拌均勻后加入 2g 十二烷基硫酸鈉，繼續攪拌 0.5h ，再加入 1.5g 米二氧化硅繼續攪拌0.5h ，之后加人 48g 聚酰胺環氧氯丙烷樹脂繼續攪拌0.5h ，制備得到大豆粕、花生粕、棉籽粕膠粘劑。

1.3 測試方法

膠合強度測試參照GB/T9846—2015《普通膠合板》標準進行，分別測試其在干態、溫水和沸水中的膠合強度[10-1]

2 結果與分析

2.1 物化性能

分別對大豆膠粘劑、花生膠粘劑和棉籽膠粘劑的外觀 ??pH 值、黏度和固體含量進行測量，統計結果如表1所示。

表1膠粘劑的外觀、pH值、黏度和固體含量 Tab.1 Appearance，pH value，viscosity，and solid content ofadhesivematerials

整體而言，蛋白膠粘劑的pH值和黏度變化趨勢一致，而與固體含量變化趨勢相反，即蛋白膠粘劑pH值越大則黏度越高、固體含量相對更小，這主要是因為蛋白膠粘劑在酸性或者堿性環境下發生交聯反應的程度不同[12]；黏度會影響膠粘劑在涂抹過程中的流動性，在一定程度上影響涂層的均勻性[13]，在黏度過高時還會出現膠粘劑溢出等現象，影響膠粘劑的粘接強度;此外，膠粘劑中固體含量也會在一定程度上影響膠粘劑的粘接性能，且固體含量越高相應的膠粘劑的膠合強度會相對更好，這主要還是因為其在固化過程中出現鼓泡的幾率相對更小[14]。

2.2 膠合強度

蛋白膠粘劑在干態、溫水和沸水中的膠合強度測試結果如圖1所示。

圖1蛋白膠粘劑在干態、溫水和沸水中的膠合強度測試結果

Fig.1 Adhesion strength test results of protein adhesive indry，warm，andboilingwater

由圖1可知，對于大豆膠粘劑，膠粘劑膠合強度從大至小順序為：干態 gt; 溫水 gt; 沸水；對于花生膠粘劑，膠粘劑膠合強度從大至小順序為：干態gt;溫水gt;沸水；對于棉籽膠粘劑，膠粘劑膠合強度從大至小順序為：干態 gt; 溫水 gt; 沸水。3種蛋白膠粘劑在干態環境下的膠合強度最大，其次為溫水環境，而在沸水環境中的膠合強度最小，但是無論是在哪種環境下，3種蛋白膠粘劑的膠合強度都高于 0.7MPa ，即滿足國家I類膠合板強度標準要求[15，這也就說明3種蛋白膠粘劑既適合在室內環境使用，也適合在戶外環境下使用，且在溫水和沸水環境中，棉籽膠粘劑的膠合強度都高于其他兩種膠粘劑，即棉籽膠粘劑的耐水性要相對更高。

2.3 耐熱性能

蛋白膠粘劑的熱重分析結果如圖2所示。

由圖2可知，3種蛋白膠粘劑的熱重曲線和微分熱重曲線變化趨勢相似，在低溫階段（ 50～200^°C） ，3種蛋白膠粘劑的失重較少，這主要是因為此時的溫度不高，大豆、花生和棉籽膠粘劑在這個溫度范圍內不會發生分解而造成質量損失，而隨著溫度的升高200～340^°C， ，第二階段的大豆、花生和棉籽膠粘劑會發生分子結構破壞而降解，短時間內質量損失較大；繼續升高溫度至 及以上時，大豆、花生和棉籽膠粘劑已基本分解完成，再繼續升高溫度對蛋白膠粘劑質量損失影響減小。此外，大豆膠粘劑、花生膠粘劑和棉籽膠粘劑的熱分解溫度分別為310.1、304.9和 254.1°C ，可見，3種蛋白膠粘劑的熱分解溫度從高至低順序為：大豆膠粘劑 |gt; 花生膠粘劑 gt; 棉籽膠粘劑，這也就說明大豆膠粘劑的耐熱性能相對較好[1]，而棉籽膠粘劑的耐熱性相對較差。

2.4蛋白膠粘劑改性

改性前后蛋白膠粘劑的紅外光譜圖如圖3所示。

圖3改性前后蛋白膠粘劑的紅外光譜圖 Fig.3Infrared spectrum of protein adhesive before and aftermodification

由圖3可知，對于改性前蛋白膠粘劑，大豆膠粘劑在 3420cm^-1 位置處存在O一H伸縮振動吸收峰、在 2927cm^-1 位置處存在一CH伸縮振動吸收峰、在1737cm^-1 位置處存在C一H伸縮振動吸收峰，在1659cm^-1 位置、 .1542cm^-1 位置 ?1245cm^-1 位置分別出現了 C=0.N-H 和C一N伸縮振動吸收峰。對于花生膠粘劑而言，在 1034cm^- 位置還出現了-C—NH彎曲振動吸收峰，棉籽膠粘劑在 1450cm^-1 和 1 394cm^-1 位置處還出現了一COOH特征吸收峰。改性前，3種蛋白膠粘劑的紅外光譜圖較為相似，這也說明大豆膠粘劑、花生膠粘劑和棉籽膠粘劑都具有彎折的酰胺鍵骨架結構。在對3種蛋白膠粘劑進行改性處理后，改性后的膠粘劑的紅外光譜圖與改性前相似，但是在 1737cm^-1 位置處的峰有所增強，這主要是因為膠粘劑在改性處理偶的親水性基團變少、酰胺鍵增多[17]，而 1394cm^-1 位置處和 1245cm^-1 位置處的吸收峰有所弱化則主要與改性后膠粘劑內部基團發生了開環反應并形成了網格結構有關[18]

大豆膠粘劑、花生膠粘劑和棉籽膠粘劑在改性前后的接觸角和表面能測試結果如表2所示。

表2改性前后膠粘劑的接觸角和表面能 Tab.2 Contact angle and surface energy of adhesive beforeandaftermodification

由表2可知，對于改性前蛋白膠粘劑，接觸角從大至小順序為：花生膠粘劑 gt; 棉籽膠粘劑 ∣gt; 大豆膠粘劑，表面能從大至小順序為：大豆膠粘劑 ∣gt; 棉籽膠粘劑 gt; 花生膠粘劑；對于改性后蛋白膠粘劑，接觸角從大至小順序為：棉籽膠粘劑 gt; 大豆膠粘劑 |gt; 花生膠粘劑，表面能從大至小順序為：花生膠粘劑 大豆膠粘劑 ∣gt; 棉籽膠粘劑。由此可見，改性前蛋白膠粘劑的接觸角與表面能成反比，改性后蛋白膠粘劑的接觸角也與表面能呈反正，即接觸角越大則表面能越小。此外，對比改性前后蛋白膠粘劑的接觸角和表面能可知，在改性處理后，改性蛋白膠粘劑的接觸角都有不同程度增加，表面能有不同程度減小。這主要是因為接觸角越小則表示膠粘劑的防水性能越好，在接觸物質前的表面張力增大，表面能相對更大[19]。此外，對大豆膠粘劑、花生膠粘劑和棉籽膠粘劑進行改性處理后，接觸角都有明顯增加，而表面能明顯降低，表明改性處理有助于提升膠粘劑的疏水性[20]

2.5基于成本管理的膠粘劑應用

大豆膠粘劑pH值為7.65、花生膠粘劑pH值為5.83、棉籽膠粘劑 pH 值為6.92，大豆膠粘劑黏度為34617mPa/s 、花生膠粘劑黏度為 11984mPa/s 棉籽膠粘劑黏度為 13524mPa/s ，大豆膠粘劑固體含量為30.62% 、花生膠粘劑固體含量為 32.94% 、棉籽膠粘劑固體含量為 33.58% 。在干態環境下，大豆膠粘劑的膠合強度最大（約 2.78MPa， ）花生膠粘劑的膠合強度最小（約 2.45MPa） ，棉籽膠粘劑的膠合強度為 2.58MPa 在溫水環境下，大豆膠粘劑的膠合強度為 1.43MPa 、花生膠粘劑的膠合強度為 1.32MPa ，棉籽膠粘劑的膠合強度為 1.68MPa ；在沸水環境中，大豆膠粘劑的膠合強度為 1.18MPa. 花生膠粘劑的膠合強度為1.06MPa ，棉籽膠粘劑的膠合強度為 1.29MPa 無論是在哪種環境下，3種蛋白膠粘劑的膠合強度都高于 0.7MPa ，即滿足國家I類膠合板強度標準要求。因此，基于成本管理需要，如果應用領域只需要滿足國家I類膠合板強度標準要求，3種膠粘劑都可以選擇，且可以參照市場價格選擇價格低廉的原料進行膠粘劑制備，如大豆粕價格低時選擇制備大豆膠粘劑。

3結語

（1）大豆膠粘劑顯示為乳白色、花生膠粘劑顯示為棕褐色、棉籽膠粘劑顯示為棕黃色。大豆膠粘劑pH值為7.65、花生膠粘劑pH值為5.83、棉籽膠粘劑pH值為6.92，大豆膠粘劑黏度為 34617mPa/s 花生膠粘劑黏度為11 1984mPa/s 棉籽膠粘劑黏度為 13524mPa/s 大豆膠粘劑固體含量為 30.62% 、花生膠粘劑固體含量為 32.94% 、棉籽膠粘劑固體含量為 33.58%

（2）在干態環境下，大豆膠粘劑的膠合強度最大（約2.78MPa ）、花生膠粘劑的膠合強度最小（約 2.45MPa， ，棉籽膠粘劑的膠合強度為 2.58MPa ；在溫水環境下，大豆膠粘劑的膠合強度為 1.43MPa 、花生膠粘劑的膠合強度為 1.32MPa ，棉籽膠粘劑的膠合強度為1.68MPa ;在沸水環境中，大豆膠粘劑的膠合強度為1.18MPa 、花生膠粘劑的膠合強度為 1.06MPa ，棉籽膠粘劑的膠合強度為 1.29MPa ：

（3）對于改性前蛋白膠粘劑，接觸角從大至小順序為：花生膠粘劑 ∣gt; 棉籽膠粘劑gt;大豆膠粘劑，表面能從大至小順序為：大豆膠粘劑 |gt; 棉籽膠粘劑 |gt; 花生膠粘劑；對于改性后蛋白膠粘劑，接觸角從大至小順序為：棉籽膠粘劑 ∣gt; 大豆膠粘劑gt;花生膠粘劑，表面能從大至小順序為：花生膠粘劑gt;大豆膠粘劑gt;棉籽膠粘劑。

【參考文獻】

[1]郝曉麗，丁謬，蔣鵬，等.蛋白基膠粘劑的國內外研究動態[J].化學與粘合，2021，43（4）：288-291.

[2]蔣龍僑，曹曉霞，潘琴.聚合物基仿生粘合劑的開發與應用[J].粘接，2022，49（9）：39-43.

[3]趙立志.植物蛋白改性劑對脲醛樹脂膠粘劑性能影響研究[J].林業科技，2022，47（2）：47-51.

[4]趙冰，李玉林，張玉紅，等.外科用生物膠黏劑的研究和最新進展[J].粘接，2020，41（2）：1-5.

[5]劉建容，潘邦杰，沈靖東，等.雙醛淀粉改性大豆蛋白膠粘劑的性能[J].四川輕化工大學學報（自然科學版），2022，35（1）：51-58.

[6]劉杭忠，代麗萍，關懷民，等.不同處理法制備無醛蛋白膠粘劑及其表征[J].高分子通報，2019（11）：47-52.

[7]胡曉東，王偉，布麗根·加冷別克，等.3種植物蛋白粕基膠粘劑的性能分析[J].新疆農業大學學報，2022，45（1）：48-54.

[8]羅晶，周瑩，曾國棟，等.大豆蛋白膠粘劑改性及其膠合板應用研究進展[J].熱固性樹脂，2022，37（6）：48-53.

[9]張一煒，王進倉，馮麗，等.鉻革屑降解制備木材膠粘劑研究[J].中國皮革，2019，48（6）：32-37.

[10]CHENG ZH，YER，SHI X Y，et al.A multiple cross-link-ing strategy to develop an environment-friendly and wa-ter resistance wheat gluten protein wood adhesive[J]. In-ternational Journal of Biological Macromolecules，2024，257（P2）：128712.

[11]。王勇，陳仕清，鄧臘云，等.無醛型大豆蛋白基膠粘劑固化過程反應動力學研究[J].湖南林業科技，2018，45（5）：78-81.

[12]張曉偉，趙建鋒，陸鳴亮，等.單寧改性大豆蛋白膠粘劑研究[J].熱固性樹脂，2020，35（5）：1-4.

[13]李秦文，段彥杰.環保型大豆蛋白膠（J）制備及在戶外景觀設計中的應用研究[J].粘接，2023，50（11）：45-48.

[14]范捷.人造板中生物質膠粘劑的應用探討[J].化工管理，2018（23）：117-118.

[15]HAO Z T，XI X D，HOU D F，et al. A fully bio-based soyprotein wood adhesive modified by citric acid with highwatertolerance[J]. International Journal ofBiologicalMacromolecules，2023，253（P6）：127135.

[16]蒲紅霞，紀丁愈，張一煒，等.膠原蛋白膠粘劑的制備與應用[J].皮革科學與工程，2021，31（3）：36-40.

[17]劉晴，郭永勝，李京超，等.山梨醇縮水甘油醚增強豆粕膠粘劑性能研究[J].熱固性樹脂，2022，37（5）：27-33.

[18]徐穎瑩，崔政，李一凡，等.復合變性對大豆蛋白膠粘劑耐水膠接性的影響[J].熱固性樹脂，2018，33（5）：51-55.

[19]張永春，楊洪娟，王洛高，等.堿處理大豆蛋白膠粘劑的2級結構對膠接性能的影響[J].粘接，2021，47（8）：34-38.

[20]吳志剛，銀露露，雷洪，等.環保酚醛樹脂改性大豆蛋白膠粘劑的研究[J].粘接，2017，38（10）：19-25.