可生物降解的粘合剂登上Science

市场上几乎所有的胶粘剂都是石油衍生的、不可生物降解的，为了减少塑料胶粘剂产生的浪费，最近人们一直致力于开发更具可持续性的替代品。例如，最近使用环氧化大豆油、苹果酸和单宁酸开发了一种生物基胶粘剂；在高温下交联环氧和羧酸基团后，在喷砂基材上的粘附强度可与当前工业产品相媲美。为了解决胶粘剂的报废问题，人们开发了木质素基和多糖基胶粘剂，其中一些具有潜在的可生物降解性，通常用于木质基材，粘附强度可能在很大程度上受外部因素的影响，例如湿度、加入的金属盐和化学改性。即使优化了（共）聚合物组成并引入了添加剂，可生物降解的聚酯基胶粘剂在各种基材上也仅表现出有限的粘附强度（ <2 MPa ）。

聚 (3- 羟基丁酸酯 )(P3HB) 是聚 (3- 羟基烷酸酯 )(PHA) 大家族中最突出的成员，是一种天然的、微生物产生的聚酯，可在受控 ( 工业堆肥 ) 或不受控的条件 ( 淡水、海水和土壤 ) 下生物降解，因此长期以来一直被认为是石油基和 / 或不可生物降解塑料的有前途的可持续替代品。整个 PHA 家族的粘附性能很少被探索，因为中链长 PHA 的粘附性能较差，生物 P3HB 的脆性阻碍了粘附行为，以及微生物 P3HB 缺乏立体微结构多样性，因此缺乏可调的粘弹性。这一限制促使人们在化学催化途径中取得了最新进展，以获得立体微结构多样化的 P3HB 材料。特别是，立构微结构丰富的 P3HB(sr-P3HB) 已被证明是半结晶的但具有延展性，并且在淡水和土壤中表现出与微生物 P3HB 相当的生物降解速率。

美国科罗拉多州立大学 Eugene Y.-X. Chen 教授、美国国家可再生能源实验室 Gregg T. Beckham 、美国加利福尼亚大学伯克利分校徐婷教授等研究人员 通过阐明化学催化工程化的 P3HB 立体微结构与粘附性能之间的基本关系，发现可生物降解的富含间二元的 P3HB 表现出高粘附强度，优于常见的商业粘合剂，而间同立构、全同立构或富含等规立构的 P3HB 则没有可测量的粘附性。富含间二元的立体微结构带来了 P3HB 所需的热机械和粘弹性能，使其能够与一系列测试的基材（包括铝、钢、玻璃和木材）牢固粘附，并且其性能对摩尔质量和再加工或再利用不敏感。

相关研究成果2025年1月16日以“ Stereomicrostructure-regulated biodegradable adhesives ”为题发表在 Science 上。

立体微观结构与粘附性能的关系： 研究者们阐明了 P3HB 的立体微观结构与其粘附性能之间的基本关系，发现间同立构富集的 P3HB （ sr-P3HB ）展现出高粘附强度，而其他立构如间同立构（ st ）、等规立构（ it ）或等规富集（ ir ）的 P3HB 则没有可测量的粘附性。

高性能生物可降解粘合剂： sr-P3HB 不仅生物可降解，而且在多种基材（包括铝、钢、玻璃和木材）上展现出强大的粘附力，其性能不依赖于摩尔质量，并且可以重复加工或再利用。

粘附性能的调控： 通过调整 sr-P3HB 中的 [rr] 三元组的百分比，可以精确调控 P3HB 的粘附强度，这为根据具体应用需求定制粘合剂提供了可能。

环境稳定性： sr-P3HB 在不同湿度水平和存储时间下展现出基本一致的性能，表明其具有良好的环境稳定性。

可重复加工性： sr-P3HB 展现出良好的可重复加工性，即使在多次重复加热和加工后，其粘附强度几乎没有变化，这与传统的热固性粘合剂相比，提供了更多的可持续性优势。

图 1. 本研究调查的代表性商用粘合剂和 P3HB 立体微结构

图 2. 具有多种立体微结构的设计师 P3HB 的表征

图 3.P3HB 胶粘剂粘合强度的评估

图 4.TEA 、 LCA 及 P3HB 胶粘剂的应用演示