Functional nanoparticle reinforced starch-based adhesive emulsion: Toward robust stability and high bonding performance
功能性纳米颗粒增强淀粉基胶黏剂乳液：具有良好的稳定性和粘接性能
Abstract：
Sustainable bio-based adhesive is a promising substitute for petroleum-based adhesives to alleviate serious environmental and health problems. In this work, a nanoengineered starch-based adhesive was fabricated by grafting vinyl acetate (VAc) onto starch molecule and subsequently incorporating the functional nanoparticle [TiO2-coupling-poly(butyl acrylate, BA), TKB] to overcome the drawbacks present in conventional nanocomposite adhesive. Results showed that the presence of BA altered the surface property of TKB, leading to improved dispersion. In the adhesive with 4% (mass ratio to starch) TKB, TKB aggregates played the role as a sliding bridge, which significantly promoted the storage stability and shear strength in both dry and wet states. Additionally, the latex film with 4% TKB exhibited high compatibility and water resistance due to the promoted hydrophobicity. This study provides a fundamental insight into the improvement of functional nanoparticles on the performance of starch-based adhesive, suggesting a novel strategy for designing high-performance bioadhesive.
中文摘要：
可持续的生物基胶黏剂可用于替代传统石油基胶黏剂以缓解严重的环境和健康问题。本研究将醋酸乙烯酯（VAc）接枝到淀粉分子上制备了一种乳液型淀粉胶，并借助偶联与乳液共聚反应设计合成了表面功能化的纳米二氧化钛颗粒（TiO2-KH570-BA），TKB]，拟利用功能化纳米粒子克服传统纳米复合淀粉胶在乳液稳定性上的缺陷。结果显示，BA及偶联剂的引入改变了纳米粒子表面性质，使得其分散稳定性显著提升。当TKB添加量为4%时，TKB在淀粉胶中自聚成团，而聚集体起到了类似滑动桥的作用，对淀粉胶在干湿两态下的粘接强度及其乳液稳定性具有促进作用。此外，4%的TKB显著增加了淀粉胶乳胶膜的表面疏水性及淀粉胶内部组分相容性，使得胶膜强度和耐水性提升。本研究表明，双亲性纳米粒子的使用可以实现淀粉胶乳液稳定及粘接强度同步提升，这为设计高性能生物胶黏剂提供了一种新的策略。
意义 目的 结论：
淀粉是农业资源中最丰富的生物大分子之一，具有可再生性、生物降解、低成本等优良性能，被广泛应用于食品、造纸、医药、纺织、精细化工等领域。淀粉独特的结构与生物学特性，促使其成为制备环境友好型淀粉胶黏剂的优势原料。然而，由于天然淀粉自身的属性导致所制备的淀粉基胶黏剂往往存在直接力学性能不高、耐水性能较差、贮存稳定性低等限制。已有研究者利用纳米粒子改善淀粉胶的综合性质，然其极易引发胶粒团聚，造成乳液稳定性降低。基于上述背景，本文旨在合成一种功能性的纳米粒子，并研究功能性纳米粒子的引入对淀粉胶宏观力学强度及稳定性的影响规律，为高性能淀粉基胶黏剂的研究与开发提供思路。
研究人员借助偶联剂及引发接枝反应合成了一种具备双亲性的功能性纳米二氧化钛粒子，并将功能性粒子以不同梯度添加到淀粉胶乳液中。首先利用高分辨投射电子显微镜、红外光谱仪、X射线光电子能谱等分析手段对功能性纳米粒子的微观形貌、结构及热性能进行表征。与此同时，利用剪切力测试、扫描电子显微镜、流变仪、透射电镜等研究淀粉胶性能及其结构变化。结果显示，低浓度的纳米粒子与表面活性剂作用类似，而随着浓度的增加，功能性纳米粒子形成聚集体，在淀粉胶内部乳胶粒间产生交联。这些变化提高了淀粉胶粘接性能、贮存稳定性和流变性能。此外，4%功能性纳米粒子还改变了淀粉胶固化过程中的水迁移速率和成膜时间，使胶膜膜具有较高的粘结性、较好的表面粘结性和耐水性。
第一作者简介;
陈磊，工学博士，武汉轻工大学食品科学与工程学院讲师。研究方向为食品碳水化合物的功能化改性及分子模拟研究。在国内外期刊发表SCI论文20多篇，其中以一作（含共同一作）和通讯作者发表论文9篇，已获授权发明专利2项，参与国家标准1项，参与国家科技部重点研发专项、国家自然科学基金、重点实验室开放课题等多项工作。
通讯作者简介：
蔡杰，博士，副教授，硕士生导师。现任武汉轻工大学硒科学与工程现代产业学院院长助理。入选中国科协“青年人才托举工程”项目和湖北省“楚天学者计划”，是硒产业技术与健康中国创新平台联盟常务理事。长期致力于食品科学及其交叉领域的科研和高新技术研发工作，特别是在食品碳水化合物结构与功能特性方面有较为深入的研究。主持/参与国家科技支撑计划、国家自然科学基金、湖北省重点研发计划、湖北省自然科学基金等纵横项目20余项。在Journal of Materials Chemistry A, ACS Applied Materials & Interfaces，Carbohydrate Polymers，Journal of Agricultural and Food Chemistry，Food Chemistry等期刊上发表SCI论文40余篇（封面文章3篇），申请国家发明专利20余项（授权8项），参与制定行业标准2项，完成技术成果转化1项。
论文原文：
