Acs Sustain.: 玉米变身胶黏剂

胶黏剂是通过界面的粘附和内聚等作用，使两种或两种以上的材料粘接在一起的一类天然或合成的有机或无机物质，具有使用方便、快速、经济和节能等特点，并被广泛应用于建筑业、纸制品及包装、制鞋、汽车、电子、家用电器、住房设备、航天航空、医疗卫生和新能源等行业，同时也是电力系统中不可或缺的材料之一。最近，生物蛋白质基的粘合剂由于其材料来源广泛，经济友好的，生物可兼容的，及其表面具有大量的官能团被考虑是一种可以被合成新型的一类胶黏剂。然而普遍上这类胶黏剂由于其本身弱的 耐水性以及粘合强度，很难被广泛应用。

近日，上海复旦大学陈新教授课题组, 提出了一种简单而又温和的，使用生物基的玉米醇溶蛋白来合成Fe(III)@zein/SDS生物基 胶黏剂的路线，该玉米蛋白基的胶黏剂相比较以往研究的生物基的胶黏剂表现出了更强的耐水性能和强的粘附能力.

图文导读

首先是Fe(III)@zein/SDS的制备。作者把玉米蛋白溶解在200mmol/L的十二烷基硫酸钠SDS溶液，并保持在25^oC 30min，然后继续升到70 ^oC/2-3小时，得到一层Zein/SDS薄片。该薄片继续浸渍在含有FeCl₃的溶液中使其发生螯合反应得到Fe(III)@zein/SDS胶黏剂。

为了评估和比较其他金属阳离子所合成的胶黏剂与Fe(III)@zein/SDS基的胶黏剂的差异性，作者也按相同的方法制备了M(III)@zein/SDS，其中M=Ca, Al, Mn, Mg等。结果表明，在所有测试的金属离子基的胶黏剂中，Fe离子展现出了与Zein/SDS很强的相互作用，这是因为Fe离子具有比其他金属更高的离子势(具体表现为金属离子与zein/SDS表面官能团形成配体的能力)。

然后作者推测了可能形成Fe(III)@zein/SDS胶黏剂的反应机理。主要分为三个阶段。第一阶段当所加入的SDS浓度在2ml到4ml中间时，SDS结合到zein骨架当中，形成了一端疏水性的微球。在第二阶段，随着SDS浓度增加到大约200mmol/L时，这时候整个蛋白质完全展开且全部带负电荷。因此在第三阶段，当带有正电荷的Fe离子的加入迅速与表面带有负电荷的蛋白质发生螯合反应形成金属-zein-SDS配体，这种螯合作用为其提供了适当的粘合力，此外SDS引入导致了zein表面的更多极性官能团暴露，这因此提高了粘合剂的流动吸附性能。

作者然后继续对该Fe(III)@zein/SDS胶黏剂进了流变行为的研究旨在评估和测定该胶黏剂的流动性能和能量耗散过程。根据文献报道，储存模量(G’)和损耗模量(G’’)/储存模量(G’)的比值可以用来作为评估材料流动性能的标准。而G’低于10⁵Pa和相对高的G’’/G’约等于2.0说明该材料具有杰出的流动性能和能量耗散，而具有好的能量耗散说明该胶黏剂很容易在粘着的物体上。Fe(III)@zein/SDS胶黏剂的G’在10³-10⁵Pa之内，G’/G’’约等于2，说明了该粘合剂具有好的流动性能和能量耗散。Fe(III)@zein/SDS胶黏剂的流动性能和能量耗散也对温度具有敏感性。一定的温度有利于材料的流动性能，然而更好的温度可能会使它的粘附性能降低。

一个胶黏剂最重要的性质还是它的粘附效果，为此，作者把胶黏剂放在了两块玻璃，铜板, PVC和PI两种商业的高分子中间进行吸附试验，并分别比较了Fe(III)@zein/SDS与其他不同金属阳离子合成的胶黏剂他们的吸附强度的差别。结果表明，Fe(III)@zein/SDS依然表现出了更强的吸附强度，而被吸附的材料中，Fe(III)@zein/SDS与金属铜具有更高的吸附强度。

一个性能优异的胶黏剂不仅仅能够在干燥的环境中与吸附介质具有很强的胶黏强度，而且在潮湿的环境中也需要能够表现出良好的吸附能力。因此作者在潮湿的环境中继续执行了在和干燥环境下相同的试验，结果表明， Fe(III)@zein/SDS在潮湿的环境下总体表现出了下降的吸附强度，但其吸附效果依然在潮湿环境中依然还是足够的，而且其粘附效果是可以重复多次的。

由于Fe(III)@zein/SDS胶黏剂能够在潮湿和干燥的环境中都能表现出优异的黏附性能。因此作者接下来的工作就是重点强调了该胶黏剂的实践应用。下图均表明了Fe(III)@zein/SDS胶黏剂能够在水里和空气中表现出的杰出的黏附能力。此外这种胶黏剂也可以用70%的乙醇清洗掉。因为乙醇可以溶解掉Fe(III)@zein/SDS胶黏剂中的zein，使其结构遭到破坏，因此失去黏附能力。此外作者也强调了该胶黏剂在水中瞬间的黏附修补材料的能力。结果表明，该Fe(III)@zein/SDS胶黏剂能够瞬间在水下黏附其材料破损处，有效地减缓了它的侧漏。最后，作者也强调了该胶黏剂是一种本身可降解的材料，因此可以被短期的使用，不适合长期的黏附一些物质。

结论

本文提出了一种简单而又温和的合成Fe(III)@zein/SDS生物基的 胶黏剂的路线，合成原料来源广泛价格低廉，该玉米蛋白基的胶黏剂相比较以往研究的生物基的胶黏剂在空气中和在水中都能够表现出了更强的耐水性能和强的粘附性能. 且该胶黏剂能够表现出很强的瞬时修复能力,在密封塑料玻璃瓶，材料补漏以及物体运输方面有很广泛的应用。

原文链接

https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.0c01179

Yanxia Wei, Jinrong Yao, Zhengzhong Shao, and Xin Chen，Water-Resistant Zein-Based Adhesives, ACS Sustainable Chemistry Engineering, 04, 2020