秸秆/脲醛树脂可生物降解复合材料胶合界面表征与降解机制

The bonding interface of straw/urea-formaldehyde resin composites is difficult to be degraded by microorganism which has always been a hot scientific issue in the recycling of agricultural wastes. The main reason is that urea-formaldehyde resin itself is difficult to be degraded by microorganism. Previous studies found that the degradation of agricultural straw/urea-formaldehyde resin composites was mainly influenced by the degradation of the bonding interface. However, there was little research on the characterization and degradation of bonding interface between straw and urea-formaldehyde. Therefore, this project intends to develop a biodegradable urea-formaldehyde resin, to create a biodegradable bonding interface layer of straw/urea-formaldehyde composites. The quantitative characterization of bonding interface will be carried out, the formation mechanism of the interface layer will be discussed in this paper. The microorganism degradable mechanism of bonding interface of straw/urea-formaldehyde resin will be analyzed, the correlation of the bonding interface degradation rate and straw degradation rate will be clarified. These related studies will provide theoretical basis for special adhesive applied in straw.

秸秆/脲醛树脂复合材料的胶合界面难以被微生物降解一直是农业废弃物资源化循环利用的热点科学问题。其中主要的原因是脲醛树脂本身难以被微生物降解。既往研究发现，农用秸秆/脲醛树脂复合材料的降解快慢主要受到胶合界面降解性能的影响，但有关秸秆/脲醛树脂之间胶合界面的表征、界面降解方面的研究非常少。因此，本项目拟研制一种可生物降解型脲醛树脂胶黏剂，构建秸秆/脲醛树脂复合材料的可生物降解胶合界面层；对其胶合界面层定量表征，探讨秸秆/脲醛树脂胶合界面层的形成机理；解析微生物作用下，秸秆/脲醛树脂胶合界面降解机制，阐明胶合界面降解和秸秆本身降解速率的关联性，为秸秆用降解型胶黏剂的研发提供理论依据。

针对秸秆/脲醛树脂复合材料难以降解的科学问题，通过制备一种可生物降解改性脲醛树脂胶黏剂，秸秆纤维微生物好氧发酵表面处理技术，分析不同形式的秸秆/脲醛树脂复合材料胶合界面层微观性能与复合材料宏观性能间的关联规律、各组分在微生物侵蚀下降解的量化参数，揭示秸秆/脲醛树脂复合材料各组分降解速率与胶合界面层降解匹配的响应机制，建立准确衡量秸秆基复合材料降解速率的方法。研究结果表明：（1）角蛋白和聚乙二醇二缩水甘油醚在脲醛树脂合成第3阶段添加有助于其氨基、羧基和环氧基与脲醛树脂的共聚反应，增加分子链段长度形成交联结构且有显著的协同效应，角蛋白质量为尿素总量3%时，改性脲醛树脂形成的体型交联结构稳定且热稳定性能最优。（2）微生物处理后秸秆纤维中可溶性养分比例增加且纤维结晶度和塑性程度提高，纤维表面的硅和蜡等物质部分去除，有助于提高脲醛树脂与秸秆纤维的界面相容性，但微生物处理时间过长，纤维表面出现裂隙使得脲醛树脂更易于在胶合界面层形成“胶钉”。（3）包覆秸秆的胶黏剂的降解程度是引发微生物生长差异性的主要因素，改性脲醛树脂中角蛋白含量5%时，微生物在秸秆花盆表面生长28天面积达到6级标准；由于微生物改性消耗了秸秆纤维中的部分多糖物质，微生物改性10天的秸秆纤维制备的花盆在角蛋白含量较低的情况下，微生物在花盆表面生长28天面积仅达到3级标准。（4）根据树脂降解速率、秸秆纤维降解速率、花盆降解速率，建立基于灰色理论系统的GM(1,1)模型能够对秸秆花盆降解规律进行正确和有效描述，预测误差的增加验证改性脲醛树脂在秸秆表面形成胶合界面层对降解速率的影响；使用角蛋白改性脲醛树脂的树脂-纤维混合区间的界面弹性模量比未改性的界面弹性模量提前2个月出现界面崩解破坏。本项目研究为秸秆基制品的降解周期评价提供理论依据，拓展了秸秆基复合材料胶合界面理论和降解机理，具有重要的科学意义及使用前景。