开发高性能、环保型生物质基胶黏剂，用以替代脲醛树脂（UF）、酚醛树脂（PF）等传统石油基胶黏剂，是实现低碳、绿色与可持续发展需求的重要途径。然而，生物质基胶黏剂仍存在粘接强度不足、耐水性差、功能单一等缺陷，限制了其工业化应用前景。针对以上问题，东北林业大学李坚院士、肖少良教授研究团队受贻贝足丝粘附蛋白启发，以天然可再生材料壳聚糖（CS）、单宁酸（TA）和三价铁离子（Fe³⁺）为原料制备了一种壳聚糖基耐沸水阻燃木材胶黏剂。在CS-TA-Fe³⁺胶黏剂体系中，CS、TA和Fe³⁺之间形成的氢键作用、金属配位作用以及共价键作用强化了交联网络，提升了粘接性能，其制备的胶合板的沸水剪切强度可达1.40 MPa。另外，经CS-TA-Fe³⁺胶黏剂涂覆处理的杨木单板极限氧指数（LOI）为29.70%，符合阻燃材料相关标准。

图1.（a）CS-TA-Fe³⁺胶黏剂制备过程以及受贻贝足丝蛋白启发的仿生结构设计示意图；（b）七层胶合板；（c）壳聚糖基胶黏剂的雷达图。图文解读

CS-TA-Fe³⁺胶黏剂的表征与分析该研究团队以壳聚糖（CS）为基体，引入富含儿茶酚基团的单宁酸（TA），并通过Fe³⁺构建金属配位交联网络，成功制备了CS-TA-Fe³⁺胶黏剂。在该体系中，CS的氨基、羟基与TA的儿茶酚基团之间形成氢键，Fe³⁺进一步与儿茶酚、氨基和羟基等基团配位，形成更加致密、有序的交联结构。光学显微镜和SEM结果显示，纯CS胶黏剂呈疏松层状结构，CS-TA胶黏剂层状结构相对有序，而CS-TA-Fe³⁺胶黏剂形成了更致密、更有序的层状结构。FTIR和XPS分析表明，CS与TA之间存在明显氢键作用；引入Fe³⁺后，N-H/O-H伸缩振动峰进一步红移和宽化，C-O、C=O等含氧基团峰面积发生变化，证实了金属-配体配位结构的形成。

图2. CS-TA-Fe³⁺胶黏剂的表征与分析。（a）CS、（b）CS-TA和（c）CS-TA-Fe³⁺胶黏剂的光学显微镜图；冷冻干燥后（d）CS、（e）CS-TA和（f）CS-TA-Fe³⁺胶黏剂的SEM图；（g）CS、CS-TA及CS-TA-Fe³⁺胶黏剂的FTIR谱图；CS、CS-TA及CS-TA-Fe³⁺胶黏剂的（h）高分辨XPS C 1s谱峰和（i）高分辨XPS O 1s谱峰。CS-TA-Fe³⁺胶黏剂的表征及其热固化机理胶黏剂的固化行为对最终粘接性能和耐水性至关重要。CS-TA-Fe³⁺胶膜经热处理后，在沸水中处理3 h仍能保持较完整形貌，沸水不溶率由32.5%提升至85.7%。热处理过程中CS-TA-Fe³⁺胶黏剂内部发生了酰胺化和酯化反应，形成酯基和酰胺键，并进一步构建氢键网络。VT-IR分析推断其热固化过程中化学基团响应顺序为：C=O→C-O→O-H/N-H，即先发生酰胺化反应，随后酯化，并最终形成氢键交联网络

图3. CS-TA-Fe³⁺胶黏剂的表征及固化机理。（a）CS-TA-Fe³⁺胶黏剂薄膜热处理过程示意图；（b）CS-TA-Fe³⁺胶黏剂薄膜的沸水不溶率；（c）CS-TA-Fe³⁺胶黏剂薄膜热固化机理示意图；（d）经热处理和未热处理的CS-TA-Fe³⁺胶黏剂薄膜的高分辨XPS C 1s谱峰；（e）CS-TA-Fe³⁺胶黏剂薄膜的VT-IR光谱，（f）二维同步谱图，（g）二维异步谱图。CS-TA-Fe³⁺胶黏剂的粘附性能及作用机理接触角测试显示，CS-TA-Fe³⁺胶黏剂在木材表面的接触角可从81.85°降至66.13°，表现出一定润湿性；同时其储能模量始终高于损耗模量，说明体系内形成了高内聚的交联网络，并具有优异的抗流挂性能。DMA结果表明，CS-TA-Fe³⁺胶黏剂的固化温度降至120℃，明显低于纯CS胶黏剂的200℃；在120℃固化时，其储能模量约为纯CS胶黏剂的2倍。更重要的是，CS-TA-Fe³⁺胶黏剂表现出高达1.40 MPa的沸水剪切强度，远高于GB/T 9846-2015 中I类胶合板的要求。SEM观察发现，经沸水处理后，CS-TA-Fe³⁺胶层仍保持完整，并在木材界面形成紧密的机械互锁结构。胶黏剂还可与木材纤维素/半纤维素中的羟基形成氢键和配位键，并通过酰胺键、酯键等增强界面粘接和耐水性。

图4. CS-TA-Fe³⁺胶黏剂的粘接性能与作用机理。（a）三层胶合板的制备流程；（b）CS-TA-Fe³⁺胶黏剂在木材表面的接触角；（c）CS、CS-TA以及CS-TA-Fe³⁺的动态力学分析曲线；（d）CS、CS-TA以及CS-TA-Fe³⁺胶合板的剪切强度以及（e）经沸水浸泡后的应力-应变曲线与木破图；（f）CS-TA-Fe³⁺与其他胶黏剂的粘接性能对比；（g）经过沸水处理和未经过沸水处理的三层胶合板断面SEM图；（h）CS-TA-Fe³⁺胶黏剂与木材之间粘接机理示意图。CS-TA-Fe³⁺胶黏剂的阻燃性能及其作用机理阻燃测试表明，纯CS胶黏剂涂覆的杨木单板点燃后剧烈燃烧；CS-TA胶黏剂涂覆单板在15 s后自熄；而CS-TA-Fe³⁺胶黏剂涂覆单板仅轻微燃烧12 s后即自熄，烧损面积很小。LOI测试结果显示，CS、CS-TA和CS-TA-Fe³⁺涂覆单板的LOI分别为24.9%、27.5%和 29.7%，其中CS-TA-Fe³⁺已达到阻燃材料标准。锥形量热测试表明，CS-TA-Fe³⁺胶膜的热释放速率峰值（PHRR）降至47.2 kW m^-2，总热释放量（THR）仅为17.99 MJ m^-2，较纯CS胶黏剂降低 48.3%。其阻燃机理主要包括：气相中释放NH₃、CO₂等不可燃气体稀释氧气，含N物种可清除高活性H·自由基，终止燃烧链反应；凝聚相中Fe³⁺催化CS和TA脱水碳化，形成致密的类石墨碳层，阻隔热量和氧气传递，并抑制可燃挥发物释放。

图5. 阻燃性能与机理分析。（a）分别涂覆CS、CS-TA和CS-TA-Fe³⁺胶黏剂的木材燃烧实验；（b）CS、（c）CS-TA以及（d）CS-TA-Fe³⁺胶黏剂膜的燃烧实验；（e）CS、（f）CS-TA以及（g）CS-TA-Fe³⁺胶黏剂膜燃烧残余物的SEM图；（h）分别涂覆CS、CS-TA和CS-TA-Fe³⁺胶黏剂的LOI；（i）CS、CS-TA和CS-TA-Fe³⁺胶黏剂膜的HRR测试以及（j）THR测试；（k）阻燃机理示意图。

总结

该研究团队长期致力于木材仿生绿色胶黏剂的研发。该研究受贻贝蛋白黏附特性的启发，提出一种仿生策略，制备了耐沸水且阻燃的壳聚糖-单宁酸-三价铁离子胶黏剂，构建出致密有序的交联网络，提升了胶黏剂的内聚强度与界面黏附力。该胶黏剂的沸水剪切强度可达1.40 MPa，优于传统壳聚糖基胶黏剂。同时，该胶黏剂可释放不可燃气体（如NH₂·、NO·）并形成致密炭层，显著提升阻燃性能，改善木质复合材料的火灾安全性。该仿生策略有效解决了生物质基胶黏剂强度不足、耐沸水性能差、功能单一等关键短板，为研发高性能环保型木材胶黏剂提供了新颖可行的思路。

该研究以“A Mussel-inspired Chitosan-Based Wood Adhesive with Boiling-Water Resistance and Flame Retardancy”为题发表于《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》。东北林业大学材料科学与工程学院魏明博士为第一作者，李坚院士和肖少良教授为共同通讯作者。