CN112795335B - 一种高强耐水的纤维素基胶黏剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强耐水的纤维素基胶黏剂及其制备方法，属于纤维素材料技术领域。本发明利用共混方法，在特定条件下，将儿茶酚类物质加入到纤维素中得到高强耐水的胶黏剂。相较于已有的利用改性方法制备的纤维素基胶黏剂，其生产更加简单高效，且强度与耐水性能更加优异。本发明加工方法简单，原料易得，制备的高强耐水胶黏剂无污染、生物可降解，是一种环境友好型胶黏剂。

Description

一种高强耐水的纤维素基胶黏剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强耐水的纤维素基胶黏剂及其制备方法，属于纤维素材料领域。
背景技术
胶黏剂广泛应用于生活的各个场景中。现阶段主要使用的胶黏剂多为脲醛胶、酚醛胶等以石油为原材料的一类胶黏剂。这类胶黏剂一方面具有一定的毒副作用，在日常使用过程中会对人们的身体健康产生不良影响；另一方面，这类胶黏剂不易于回收，可降解性能差，大量使用以石油为原料制备的胶黏剂会加速对石油资源的消耗，对环境也有很大的影响。并且，此类胶黏剂的耐水性能也有所不足。因此，研发制备一种非石油基、环境友好、高强、耐水的胶黏剂成为了现在亟待解决的问题。
作为一种绿色的天然高分子材料，纤维素来源广泛、储存量巨大,广泛地存在于植物、动物和菌类等体内，具有成本低、来源广、无污染和可再生等优点，是一种环境友好型材料。并且，纤维素由于其连段含有大量羟基，对含有羟基或极性界面具有优异的粘附性能，在胶黏剂方面有巨大的应用前景。但大量的羟基的存在使得纤维素极易于与水分子结合，降低了纤维素对基材的粘附性能，因此如何增强纤维素的耐水粘附性能成了亟待解决的问题。
发明内容
技术问题:
为了实现高强且耐水的粘附性能，本实验通过大量实验，最终选用聚乙烯亚胺(PEI)将儿茶酚类物质均匀分散在纤维素悬浮液中，通过简单的共混方法制备了纤维素基胶黏剂溶液。相比于通过改性增强纤维素耐水粘附性能的方法，该方法更加简单高效，并且增强效果优于改性方法。
儿茶酚类物质是一种含有邻苯二酚基团的一类酚类衍生物，具备化学多功能性，广泛参与自然界中大多数生物反应进程。邻苯二酚基团能够与多种基材表面形成强氢键作用、络合作用等非共价键作用，也能够通过氧化还原反应形成共价键，从而使得水分子不易破坏材料结构，有效地增强了对水下材料的粘附性能，在增强材料的耐水性能方面具有优异的效果。
本发明以纤维素为基材，通过与儿茶酚类物质相互作用，得到具有优异强度和耐水性能的纤维素基胶黏剂。
本发明的第一个目的是提供一种制备高强耐水纤维素基胶黏剂的方法，所述方法包括如下步骤：将纤维素、儿茶酚类物质和PEI均匀分散在水溶液中，得到纤维素基胶黏剂，其中纤维素、儿茶酚类物质和PEI的质量比为1：(0.1-0.5)：(0.1-0.5)。
在本发明的一种实施方式中，所述纤维素为原纤维纳米纤维素CNF、纳米晶纤维素CNC、羧甲基纤维素钠CMC、羧基化纳米纤维素TOCNF中的一种或多种。
在本发明的一种实施方式中，所述儿茶酚类物质为多巴胺DOPA、单宁酸TA中的一种或多种。
在本发明的一种实施方式中，所述儿茶酚类物质相对水溶液的质量分数为0.1％-0.5％。
在本发明的一种实施方式中，所述PEI相对水溶液的质量分数为0.1％-0.5％。
在本发明的一种实施方式中，所述儿茶酚类物质与PEI的质量比为1:1时，胶黏剂强度及耐水性能最好。
在本发明的一种实施方式中，所述方法具体包括如下步骤：取1％的纤维素悬浮液，调节温度至20℃以下，搅拌分散均匀，接着加入儿茶酚类物质，搅拌30min，最后加入PEI，搅拌30min，得到纤维素胶黏剂。其中纤维素、儿茶酚类物质和PEI的质量比为1：(0.1-0.5)：(0.1-0.5)。
在本发明的一种实施方式中，纤维素、儿茶酚类物质和PEI的质量比优选为1：0.4：0.4。
本发明的第二个目的是利用上述方法提供一种高强耐水的纤维素基胶黏剂。
本发明的第三个目的是将上述的纤维素基胶黏剂用于不同基材的粘接，例如木材、塑料、橡胶、玻璃、纸。
有益效果：
本发明通过物理共混这一简单方法，即可制备出高强耐水的纤维素胶黏剂，在此过程中，PEI与纤维素之间通过链缠结和氢键作用结合，儿茶酚类物质与PEI在弱碱性条件下即可通过席夫碱和迈克尔加成反应形成共价键，从而使得儿茶酚类物质通过PEI固定在纤维素上。相较于改性等方法，物理共混这一方法更为简单省时。同时，相比于现有报到的改性纤维素提升其粘结强度和耐水性能，通过这一方法制备的纤维素基胶黏剂有更加优异的粘结强度和耐水性能。
附图说明
图1为干湿剪切剥离强度测试图：不同儿茶酚类物质和PEI含量对纤维素基胶黏剂的干湿剪切剥离强度影响。
图2为吸水率测试图：不同儿茶酚类物质和PEI含量对纤维素基胶黏剂的吸水率影响。
具体实施方式
纤维素购自天津市木精灵生物科技有限公司。
干湿剪切剥离强度测试：利用万能试验机测试胶黏剂粘结材料干燥后和在60℃水中浸泡3h后的剪切剥离强度，拉伸速度为1mm/min，粘接面积为25×25mm2。
吸水率测试：测试胶黏剂干燥成膜后的平衡吸水率。将5片15mm×15mm方形膜放入24孔细胞培养板中，在40℃的鼓风干燥炉中干燥至恒重后，将培养板置于98％湿度环境(饱和硫酸铜溶液)中。对样品的质量进行称重并记录。用方程计算吸水率：
Figure BDA0002884933060000031
其中，w0为膜的初始重量，w1为吸收水后膜的重量。
实施例1
取20g质量分数为1％的纤维素CNF悬浮液，调节温度至20℃以下，搅拌均匀，加入0.02g儿茶酚类物质，搅拌30min，混合均匀后加入0.02gPEI，搅拌30min，得到纤维素基胶黏剂。
实施例2
取20g质量分数为1％的纤维素CNF悬浮液，调节温度至20℃以下，搅拌均匀，加入0.04g儿茶酚类物质，搅拌30min，混合均匀后加入0.04gPEI，搅拌30min，得到纤维素基胶黏剂。
实施例3
取20g质量分数为1％的纤维素CNF悬浮液，调节温度至20℃以下，搅拌均匀，加入0.06g儿茶酚类物质，搅拌30min，混合均匀后加入0.06gPEI，搅拌30min，得到纤维素基胶黏剂。
实施例4
取20g质量分数为1％的纤维素CNF悬浮液，调节温度至20℃以下，搅拌均匀，加入0.08g儿茶酚类物质，搅拌30min，混合均匀后加入0.08gPEI，搅拌30min，得到纤维素基胶黏剂。
实施例5
取20g质量分数为1％的纤维素CNF悬浮液，调节温度至20℃以下，搅拌均匀，加入0.1g儿茶酚类物质，搅拌30min，混合均匀后加入0.1gPEI，搅拌30min，得到纤维素基胶黏剂。
对比例1
取20g质量分数为1％的纤维素CNF悬浮液，调节温度至20℃以下，搅拌均匀，得到纤维素基胶黏剂。
对比例2
通过化学键合的方式改性纤维素：
1g羧基化纤维素TOCNF分散在100ml磷酸盐缓冲溶液(PH＝5)中，搅拌过夜，得到TOCNF悬浮液。控制温度在2-8℃，先加入0.44g1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐EDC搅拌活化30min，再加入0.58gN-羟基琥珀酰亚胺NHS和0.77g多巴胺DOPA搅拌24h。将反应结束后的溶液倒入透析袋中，透析5天，除去未反应的DOPA，即得到DOPA改性的纤维素基胶黏剂。
对实施例1-5和对比例1-2所得材料的性能进行测定，结果如表1所示。
表1实施例1-5和对比例1-2所得材料的性能结果
干剪切剥离强度/MPa 湿剪切剥离强度/MPa 吸水率/％
实施例1 0.236 0.026 32.9
实施例2 0.293 0.046 30.5
实施例3 0.354 0.110 23.7
实施例4 0.392 0.145 12.8
实施例5 0.331 0.142 21.7
对比例1 0.193 0.000 37.8
对比例2 0.221 0.040 29.0
由表1可知，对比例1没有添加儿茶酚类物质和PEI，实施例1-5都加了儿茶酚类物质和PEI，加入了儿茶酚类物质和PEI具有更好性能；实施例1-5分别为添加了不同儿茶酚类物质和PEI的纤维素基胶黏剂，通过表征可知，随着儿茶酚类物质和PEI添加量的提升，胶黏剂的干湿剪切剥离强度呈现出先上升后下降的趋势，而吸水率则呈现出先下降后上升的趋势。由此可见，通过加入儿茶酚类物质和PEI，能够提升纤维素基胶黏剂的强度及耐水性能。
对比例2通过共价键将儿茶酚类物质键合到纤维素上，制备了具有耐水性能的纤维素基胶黏剂，实施例1-5则通过物理共混制备了具有耐水性能的纤维素基胶黏剂，其制备步骤更简单，所需时间更少；由表1可知，对比实例5与对比例2可知，通过物理共混制备的纤维素基胶黏剂其干湿剪切剥离强度更强，吸水率更低。由此可见，通过物理共混制备的纤维素基胶黏剂具有更好的强度及耐水性能。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (9)

1.一种纤维素基胶黏剂的制备方法，其特征在于所述方法是将纤维素、儿茶酚类物质和PEI均匀分散在水溶液中，得到纤维素基胶黏剂，其中纤维素、儿茶酚类物质和PEI的质量比为1：(0.3-0.5)：(0.3-0.5)；
所述儿茶酚类物质为多巴胺DOPA、单宁酸TA中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维素为原纤维纳米纤维素CNF、纳米晶纤维素CNC、羧甲基纤维素钠CMC、羧基化纳米纤维素TOCNF中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维素相对水溶液的质量分数为0.5％-2％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述儿茶酚类相对水溶液的质量分数为0.1％-1％。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述PEI相对水溶液的质量分数为0.1％-1％。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述儿茶酚类物质与PEI的质量比为1:1。
7.权利要求1-5任一项所述方法，其特征在于，所述纤维素、儿茶酚类物质和PEI的质量比为1：0.4：0.4。
8.权利要求1-7任一项所述的方法制备得到的纤维素基胶黏剂。
9.权利要求8所述的纤维素基胶黏剂在基材粘接方面中的应用。
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