環(huán)保型麻風樹種子蛋白膠黏劑的制備及機理研究

吳志剛，張本剛，張 俊，雷 洪*，余麗萍，洪海林，杜官本

(1.貴州大學 林學院，貴州 貴陽 550025；2.西南林業(yè)大學 云南省木材膠黏劑及膠合制品重點實驗室，云南 昆明 650224)

在生物質(zhì)膠黏劑中，以蛋白基膠黏劑為主流，相關研究也相對最多，其中大豆蛋白膠黏劑是近些年來生物質(zhì)膠黏劑領域中的研究熱點，有關大豆蛋白膠黏劑的研究技術和理論已經(jīng)比較成熟，并取得了較多研究成果，部分產(chǎn)品已初步實現(xiàn)工業(yè)化應用[1-9]。小桐子(Jatrophacurcas)，俗名麻風樹，麻風樹種子主要用于生物油的提煉。麻風樹種子主要化學成分為水(6.20%)、蛋白質(zhì)(18.0%)、油脂(38.0%)、碳水化合物(17.00%)、纖維(15.50%)、灰分(5.30%)，因此，提油后的麻風樹種子餅粕粉將不可避免地產(chǎn)生大量以蛋白質(zhì)等為主要組成成分的副產(chǎn)物[10-11]。麻風樹種子餅粕除含少量油脂外，還含有大量蛋白質(zhì)，1 hm2提取柴油后的餅粕相當于3.4 t豆粕的蛋白質(zhì)含量，蛋白質(zhì)含量非常豐富[12]。利用富含蛋白質(zhì)的麻風樹種子餅粕制備木材膠黏劑將有利于降低木材工業(yè)對以石化資源為主的合成樹脂型膠黏劑的依賴程度，為相關人造板產(chǎn)品尤其是膠合板提供一種綠色蛋白膠黏劑，對生物質(zhì)膠黏劑的發(fā)展具有重要意義。

目前，以麻風樹種子蛋白制備木材膠黏劑的研究極少，且多數(shù)都是參考大豆蛋白膠黏劑的研發(fā)經(jīng)驗進行。在大豆蛋白膠黏劑的研發(fā)過程中，氨基樹脂如脲醛樹脂[13-14]、酚醛樹脂[15]、間苯二酚-苯酚-甲醛樹脂[16-17]、三聚氰胺-尿素-甲醛樹脂[18-19]等被認為是有效且實用的改性劑，但甲醛、苯酚等有毒物質(zhì)引入很顯然違背了生物質(zhì)膠黏劑的研發(fā)初衷，也大大降低其環(huán)保型優(yōu)勢。因此，要制備真正意義上的環(huán)保型麻風樹種子蛋白膠黏劑，所選取的交聯(lián)劑的環(huán)保性至關重要。

本研究在課題組前期大豆蛋白膠黏劑研發(fā)的技術基礎上[20-26]，采用環(huán)保型交聯(lián)劑三聚氰胺-乙二醛樹脂和環(huán)氧樹脂制備麻風樹種子蛋白膠黏劑，并對其制備機理進行分析，期望為制備環(huán)保型麻風樹種子蛋白膠黏劑奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

麻風樹種子餅粕粉(蛋白質(zhì)46.0 wt %，油脂9.2 wt %，60～100目)，云南神宇新能源有限公司；脫脂大豆粉(蛋白質(zhì)53.4 wt %，200目)，山東御馨豆業(yè)蛋白有限公司；環(huán)氧樹脂(EPR)交聯(lián)劑，E-44型，環(huán)氧值0.41～0.47，軟化點12～20℃；環(huán)氧氯丙烷(ECH，99 wt%)，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；三聚氰胺，廣州市福洋化工科技有限公司，分析純；乙二醛(40 wt %)，成都市科龍化工試劑廠，分析純；谷氨酸(98.5 wt %)，分析純，Amresco；其他的化學試劑如甲酸均為分析純。楊木單板(Populusspp.，含水率8～10 wt %，幅面300 mm×220 mm，厚度1.5 mm)，購自江蘇。

1.2 麻風樹種子蛋白預處理

向配有機械攪拌棒、溫度計和冷凝管的圓底三口燒瓶中加入320 g水，啟動機械攪拌棒攪拌，加入80 g蛋白粉，升溫至65℃后，加入16 g NaOH 30%溶液，反應90 min后，加入20 g尿素40%的水溶液，攪拌20 min，冷卻放料，得到麻風樹種子蛋白預處理液。

1.3 三聚氰胺-乙二醛(MG)樹脂的制備

向配有機械攪拌棒、溫度計和冷凝管的圓底三口燒瓶中加入乙二醛，調(diào)pH至4～4.5，啟動機械攪拌棒攪拌并升溫至70℃，逐漸加入三聚氰胺，保溫反應90 min，冷卻放料，得到MG(黏度和固含量分別為152.8 mPa·s和 51.4 %)。其中，n(乙二醛)∶n(三聚氰胺) = 5.5∶1。

1.4 膠合板的制備與性能測試

在實驗室中制備3層楊木膠合板。將共混均勻的蛋白預處理液與交聯(lián)劑作為制備膠合板的膠黏劑。制板工藝為：熱壓時間8 min，熱壓溫度160℃，熱壓壓力1.5 MPa，施膠量(雙面)380 g/m2。

膠合板的性能測試主要涉及干狀膠接強度及濕狀膠接強度的測量。干狀膠接強度的測試方法參照GB/T9846.7-2013。耐溫水和耐沸水膠接強度分別參照國標GB/T 17657-1999中4.15的Ⅱ類和Ⅰ類膠合板的快速檢驗的測試方法進行。

1.5 核磁共振碳譜(13C-NMR)分析

測定儀器：Bruker Avance高分辨超導超頻核磁共振儀。

樣品處理：用氘代二甲基亞砜(DMSO-d6)作為溶劑，樣品與溶劑各取300 μL注入核磁管中溶解搖勻。

測定參數(shù)： 脈沖序列zgig，內(nèi)標為DMSO-d6，累加次數(shù)500～800次，測量譜寬39 062.5 Hz。

1.6 電噴霧電離質(zhì)譜(ESI-MS)分析

測定儀器：Waters公司生產(chǎn)的Xevo TQ-S型質(zhì)譜儀。

相應參數(shù)：離子源為ESI；低端分辨率/高端分辨率：2.9/14.3；離子能量：0.3 eV。

1.7 傅里葉紅外光譜(FT-IR)分析

測定儀器：美國瓦里安傅立葉變換紅外光譜儀 Varian 1000。

測試條件：KBr壓片法，掃描范圍400～4 000 cm-1。

掃描次數(shù)：32次。

2 結果與分析

2.1 三聚氰胺乙二醛樹脂交聯(lián)改性麻風樹種子蛋白膠黏劑機理

圖1為三聚氰胺(c)、乙二醛水溶液(a)和MG(b)的紅外譜圖。波數(shù)在1 542.8、1 438.7 cm-1和808.0 cm-1的峰為三嗪環(huán)的特征峰，是判斷三嗪環(huán)存在與否的重要依據(jù)。伯胺N-H的彎曲振動峰在1 646.9 cm-1處，這個氨基具有一定的活性，容易發(fā)生反應，由伯胺變?yōu)橹侔坊蚴灏?，伯胺N-H的彎曲振動就會減弱或消失[27]。乙二醛水溶液的紅外譜圖比較復雜，在水溶液中可能發(fā)生水合反應和自身縮聚反應，1 635.4 cm-1為乙二醛C=O吸收峰。MG紅外譜圖中，1 646.9 cm-1伯胺N-H特征峰消失，說明三聚氰胺的氨基與乙二醛發(fā)生反應。此外，1 635.4 cm-1乙二醛C=O吸收峰也基本消失或強度很弱。這是因為MG是在酸性條件下合成的，乙二醛會被質(zhì)子化，再與水發(fā)生親核加成反應形成系列的水合物[28-29]。因此，可以推斷1 064.5 cm-1為乙二醛水合物CH-OH和三聚氰胺與乙二醛反應生成的NH-CH-OH的重疊峰。由此說明，三聚氰胺與乙二醛發(fā)生了化學反應，且生成的-NH-(CH)OH與蛋白質(zhì)的氨基等活性基團具有較好的親和性。

圖1 三聚氰胺-乙二醛紅外譜圖

為了進一步探究MG結構和確定碳原子的級數(shù)，采用DEPT譜圖(a為DEPT 90，b為DEPT 135)和常規(guī)去耦碳譜圖(c)對MG進行分析，測試結果見圖2。由圖2的c中的化學位移在163.8×10-6和(165.7～167.7)×10-6處的吸收峰在DEPT碳譜圖a和圖b中都沒有出現(xiàn)，表明此處為季碳的吸收峰，結合吸收峰的位置，可確定163.8×10-6處的吸收峰為乙二醛C=O的吸收峰，(165.7～167.7)×10-6為三聚氰胺三嗪環(huán)上的碳。(80～110)×10-6處的吸收峰在a和b中都出現(xiàn)，且吸收峰強度較高，表明此范圍是次亞甲基的吸收峰，且含量較高。a在化學位移63.1×10-6和64.1×10-6處的吸收峰為倒峰，但強度不高，這可能是雜質(zhì)乙醇的亞甲基吸收峰。由此表明，MG中的碳幾乎都是以次亞甲基碳的形式存在，作為交聯(lián)劑時，參與交聯(lián)反應的支鏈多，將進一步提高麻風樹種子蛋白膠黏劑的膠接性能。

圖2 三聚氰胺乙二醛碳譜圖

結合MG碳譜、紅外和質(zhì)譜(表1)的測試結果，可以大致推斷MG中主要存在A、B、C、D 4種中間體，都含有活性官能團羥甲基，可以與蛋白膠發(fā)生交聯(lián)反應[21]。由此說明，三聚氰胺與乙二醛發(fā)生了化學反應，且生成的-NH-(CH)OH與蛋白質(zhì)的氨基等活性基團具有較好親和性，這也是MG能夠交聯(lián)改性麻風樹種子蛋白膠黏劑的原因所在。

2.2 環(huán)氧樹脂交聯(lián)劑改性麻風樹種子蛋白膠黏劑機理

環(huán)氧化物是堿性蛋白膠的活性固化劑，經(jīng)環(huán)氧樹脂改性的大豆蛋白膠黏劑具有較高的膠接強度[30-31]。環(huán)氧樹脂結構較為復雜，但針對蛋白改性的有效成分是環(huán)氧基團，本研究選用環(huán)氧氯丙烷作為環(huán)氧樹脂模型化合物，谷氨酸作為蛋白質(zhì)的模型化合物，以模型化合物間的反應來揭示環(huán)氧樹脂交聯(lián)改性蛋白膠黏劑的機理。環(huán)氧氯丙烷(ECH)是一種不對稱的環(huán)氧化合物，環(huán)氧基的開環(huán)方向具有高度的選擇性。ECH在堿性條件易形成一個堿性較強、較穩(wěn)定的烷氧負離子，不易離域，環(huán)氧基開環(huán)反應按照SN2機制進行，即取代反應主要發(fā)生在取代基較少的一端或者說是在空間位阻相對較小的碳原子上[32]。

表1 MG的ESI-MS譜圖主要離子峰歸屬

圖3和圖4分別為谷氨酸和ECH/谷氨酸的質(zhì)譜圖。氨基酸中的氨基含有兩個活潑氫，當其中的一個氫與ECH反應之后，形成的空間位阻會降低另外一個氫活性。谷氨酸中含有1個游離氨基和1個游離羧基，質(zhì)荷比在240、262、278主要發(fā)生的是氨基N-1取代，質(zhì)荷比在332、354、370發(fā)生氨基的N-2取代，兩者比例大概是14∶1。當谷氨酸氨基上的一個氫發(fā)生氨基的N-1取代后，另外一個氫的活性降低。此外谷氨酸分子鏈相對較長，分子間容易卷曲，減少ECH與氨基接觸的概率，由此導致ECH與谷氨酸氨基N-2取代極少。

圖5為谷氨酸碳譜圖，谷氨酸5個碳對應圖中1～5位置，谷氨酸是一種含有2個游離羧基的氨基酸，化學位移174.00×10-6和177.65×10-6為谷氨酸1號和5號羧基碳吸收峰，為單峰，說明此處為純凈物單一結構?；瘜W位移54.60×10-6為谷氨酸4號次亞甲基碳的吸收峰。

在堿的催化下，環(huán)氧氯丙烷首先發(fā)生開環(huán)反應，在氨化反應中，氨基酸的氨基作為親核試劑首先進攻碳原子使ECH的C-O鍵斷裂開環(huán)產(chǎn)生相應的仲位衍生物。而堿的親核效應要高于氨基酸的氨基，故在堿性條件下ECH多數(shù)發(fā)生水解反應生成氯丙醇。圖6為ECH/谷氨酸的DEPT 135度、DEPT 90度譜圖和常規(guī)去耦碳譜圖。氯丙醇在圖6中出現(xiàn)的比較明顯，化學位移72.60×10-6、64.01×10-6、47.97×10-6分別為氯丙醇的次亞甲基碳和亞甲基碳?；瘜W位移68.60×10-6、64.42×10-6、56.25×10-6在DEPT 90和DEPT 135在圖6同時出現(xiàn)，表明此處為次亞甲基碳的吸收峰。其中，化學位移56.25×10-6為未反應的谷氨酸次亞甲基碳的吸收峰，64.42×10-6來源于谷氨酸的次亞甲基碳的吸收峰，由此說明ECH與谷氨酸的氨基發(fā)生了反應，未見谷氨酸的羧基與ECH發(fā)生明顯的反應。環(huán)氧樹脂改性的大豆蛋白膠黏劑，多數(shù)采用的方法是在壓制膠合板之前將環(huán)氧樹脂與蛋白降解液混合使用，本試驗下ECH與谷氨酸反應是在較低溫度下進行，因此，蛋白質(zhì)可能主要以氨基參與反應為主導。本試驗樹脂化階段，雖未見谷氨酸的羧基與ECH有明顯的反應，但不排除羧基等參與后期的固化反應的可能。

圖3 谷氨酸質(zhì)譜圖

圖4 ECH/谷氨酸質(zhì)譜圖

2.3 交聯(lián)劑MG和EPR改性麻風樹種子蛋白膠黏劑的性能

交聯(lián)劑MG和EPR分別改性的麻風樹種子蛋白膠黏劑性能如表2所示。由表2可知，未改性的麻風樹種子蛋白膠黏劑膠合板干狀膠合強度為1.68 MPa，遠遠高于GB/T 9846.3-2004的要求(≥0.7 MPa)，耐溫水強度僅為0.21 MPa，無耐沸水強度。單獨加入交聯(lián)劑MG時，膠合板干狀膠接強度呈先增加后遞減的趨勢，耐溫水強度明顯提高，并且具有相對較高的耐沸水強度。當MG加量為2%時，膠合板耐溫水強度為0.55 MPa(耐溫水強度較空白組提高近1.6倍)，當MG加入量為4%時，膠合板耐溫水強度0.83 MPa，達Ⅱ類膠合板強度要求(≥0.7 MPa)，隨著MG增加，耐溫水強度變化不是很大。

圖5 谷氨酸碳譜圖

圖6 ECH/谷氨酸碳譜圖

MG加量為2%時，麻風樹種子蛋白膠黏劑膠合板開始具備耐沸水強度(0.32 MPa)，MG加量由2%增加到6%時，耐沸水強度逐漸增加，之后隨著MG加量的繼續(xù)增加，耐沸水強度變化不大。這是因為蛋白質(zhì)中的活性官能團有限，只能與一定量的MG反應，并且交聯(lián)反應形成的空間網(wǎng)狀結構疏松。當MG加量為15%時，耐沸水強度接近Ⅰ類膠合板強度要求，但MG價格也相對較高，加入如此多的MG是不可取的。

EPR單獨作為交聯(lián)劑時，其加入量對膠合板溫水、沸水強度影響的變化趨勢大致相同。EPR加量在6%～10%時，耐溫水強度才基本滿足國家標準。EPR加量在4%～12%時，耐沸水膠合強度相對最高且相差不大，但依然無法滿足Ⅰ類膠合板強度要求。EPR的成本幾乎是MG的4倍，加量如此大的EPR顯然更是不可取的。

當以MG和EPR(3%MG+6%EPR)同時改性麻風樹種子蛋白膠黏劑時，所制備的膠合板干強度顯著提高，并且具有較高的耐溫水強度和耐沸水強度，且均已達Ⅰ、Ⅱ類膠合板強度要求(≥0.7 MPa)。

表2 MG和EPR改性的麻風樹種子蛋白膠黏劑性能

鑒于MG+EPR作為交聯(lián)劑時，所制備的麻風樹種子蛋白膠黏劑膠合板性能滿足Ⅰ類膠合板強度要求。本試驗探討不同MG+EPR添加比例對麻風樹種子蛋白膠黏劑耐溫水強度和耐沸水強度性能的影響，測試結果如表3所示。由表3可知，本試驗范圍內(nèi)，任何配合比例MG+EPR改性的麻風樹種子蛋白膠黏劑性能都能滿足Ⅰ類膠合板強度要求，說明MG+EPR是麻風樹種子蛋白膠黏劑比較理想、高效的交聯(lián)劑。當EPR加量相對較少(1%)時，MG加量在4%～14%逐漸增加時，膠合板干強度、溫水和沸水強度逐漸增加。當EPR加量相對較高(3%)時，MG加量在2%～6%小范圍內(nèi)逐漸增加時，膠合板干強度、溫水和沸水強度呈先增加后減小的趨勢。

綜觀表3測試結果可知，添加1%EPR系列改性的麻風樹種子蛋白膠黏劑溫水和沸水強度優(yōu)于2%EPR和3%EPR系列的。結合表2和表3的測試結果可知，MG可以很好的提高麻風樹種子蛋白膠黏劑的耐水性能，可能由于MG與麻風樹種子蛋白活性官能團交聯(lián)固化反應后的密度不夠，導致加入15%MG改性的麻風樹種子蛋白膠黏劑都無法滿足Ⅰ類膠合板強度要求。結合前面13C-NMR和ESI-MS分析，MG+EPR作為交聯(lián)劑時，EPR可能在MG和麻風樹種子蛋白之間起著交聯(lián)固化的作用，一方面提高蛋白膠黏劑內(nèi)聚強度，一方面增加固化后蛋白膠膠黏劑體系交聯(lián)密度，使得MG+EPR交聯(lián)改性的麻風樹種子蛋白膠黏劑具有較好的耐水性能。此外，EPR本身價格昂貴，其加量直接決定麻風樹種子蛋白膠黏劑的制備成本。

綜合麻風樹種子蛋白膠黏劑的制備成本和膠黏劑的性能，選擇1%EPR+4% MG作為麻風樹種子蛋白膠黏劑最佳交聯(lián)劑配比方案。

表3 MG+EPR改性的麻風樹種子蛋白膠黏劑性能

3 結論

本研究以麻風樹種子蛋白為原料，以三聚氰胺乙二醛(MG)樹脂和環(huán)氧樹脂(EPR)為交聯(lián)劑，旨在為相關人造板產(chǎn)品尤其是膠合板制備另一種新型蛋白膠黏劑。采用紅外光譜(FT-IR)、核磁共振碳譜(13C-NMR)、電噴霧電離質(zhì)譜(ESI-MS)等分析其制備機理，同時通過檢測蛋白膠膠合板性能，分析膠黏劑制備機理與實際應用之間的關系。結果表明，MG含有大量支鏈型的-NH-(CH)OH基團，與蛋白質(zhì)的氨基等活性基團具有較好親和性。環(huán)氧樹脂與蛋白氨基反生反應，主要以N-1取代為主。單獨以EPR或MG交聯(lián)改性的蛋白膠不能同時滿足Ⅰ、Ⅱ類膠合板強度要求。MG和EPR兩者共同作為交聯(lián)劑時，可以增加改性后麻風樹種子蛋白膠黏劑的內(nèi)聚強度和交聯(lián)密度，使改性后蛋白膠同時滿足Ⅰ、Ⅱ類膠合板膠接強度和耐水性能要求。綜合改性后麻風樹種子蛋白膠黏劑的制備成本和使用性能，4%三聚氰胺-乙二醛樹脂+1%環(huán)氧樹脂為最佳交聯(lián)劑配比方案。