无需粘合剂的木材和非木材材料直接涂层工艺，该涂层采用通过重组木质纤维素制备的生物质薄膜实现

《Progress in Lipid Research》：Adhesive-free direct coating of wood and nonwood materials with biomass films produced via reassembling of lignocellulose

生物质薄膜通过甲酸低温解聚重组制备，热压涂覆木材及其他材料后显著提升疏水性（>90°），其机理涉及热压脱水、降解及熔融渗透，实现无石油基涂层的环保木材改性方法。

　　

小林直子|桥爪智弘|渡边隆

京都大学先进科学与创新中心可持续人类圈研究所生物质产品树产业-学术合作研究单元，日本京都宇治市五条，611-0011

摘要

通常用于木材表面装饰和保护的石油衍生聚合物对地球的碳平衡造成了巨大负担，并且在材料回收方面存在困难。本文介绍了通过使用甲酸在超温和条件（<50°C）下分解和重组植物细胞壁成分来制备生物质薄膜的方法。这些薄膜无需合成聚合物和粘合剂，通过热压技术紧密地涂覆在30种硬木和软木废料上，同时也涂覆在陶瓷、玻璃、塑料和金属板上。对Eucalyptus globulus和经过200°C以上热处理的日本雪松薄膜的扫描电子显微镜观察及水接触角分析显示，薄膜表面具有纤维束结构，且疏水性从66°提高至>90°。热重分析-差热分析结合质谱分析表明，热压过程导致薄膜中的水分蒸发、脱水及热解降解，同时释放出主要由木聚糖组成的降解产物。热解降解使得薄膜成分渗透到木材的多孔结构中，形成了具有更高疏水性的紧密涂层。总体而言，该工艺实现了完全由木质生物质制成的疏水涂层。（190字）

引言

随着与石油工业相关的环境问题（如全球变暖、微塑料和纳米塑料污染）日益严重，迫切需要开发新的材料来替代石油产品，尤其是利用木质纤维素生物质，因为它是最丰富的可再生资源，且不会与食物资源产生直接竞争。

木材涂层已被广泛用于改善家具和建筑材料（包括地板、木制品、板材和柱子）的外观、防水性能和耐久性，使其能够抵抗紫外线、机械冲击、磨损以及木材害虫和微生物的侵蚀。2023年木材涂层市场的价值为106亿美元，预计2023年至2033年间将以5.3%的复合年增长率增长[1,2]。目前最常用的木材涂层树脂是合成树脂，如聚酯、三聚氰胺、酚类、聚氯乙烯、丙烯酸酯、聚氨酯、硅树脂和氟碳树脂。有报道指出，聚酯-环氧混合粉末涂层树脂可用于木质板材的表面处理[3]。除了三聚氰胺外，聚氨酯和丙烯酸酯涂层也能提高木材的疏水性[4]。最近，还开发了基于生物的水性聚氨酯涂层，这些涂层无需有机溶剂，可用于超疏水涂层以实现优异的防腐保护，以及自修复涂层以提供长期保护、导电性、抗反射和抗菌性能[5]。此外，还利用羟基化松香-CO₂-聚氨酯和苯并噁嗪的3D互穿网络制备了木材涂层[6]，并且用改性聚乙烯蜡替代了传统的蜂蜡作为木材表面涂层[7]。传统木材涂层还含有颜料和添加剂。尽管这些石油衍生涂层功能强大，但由于不可回收性和二氧化碳排放，对环境造成了影响。

此外，传统涂层需要多道工序（如预涂、涂漆和干燥）。特别是涂漆过程包括底漆、中漆和面漆的多层施工，这些步骤复杂且耗时[[8], [9], [10]]。目前尚未报道过在温和条件下利用完整生物质成分通过一步法制备木材涂层的方法。

最近，我们通过将锯末和木屑在50°C的甲酸水溶液中分解，随后浇铸并使溶剂自发蒸发，制备出了类似塑料和纸张的薄膜。Eucalyptus globulus薄膜透明且具有类似塑料的机械强度；而日本雪松薄膜则不透明，具有类似纸张的特性。木材在甲酸中的分解和溶解是通过木质素、半纤维素和纤维素的甲酰化反应实现的，从而破坏了这些细胞壁成分的非共价键。去除溶剂后，细胞壁成分重新排列形成了薄膜[11]。

由于生物质薄膜是由甲酸与木材重组形成的，其成分包括纤维素、半纤维素和木质素（与木材中的相同），因此预计它们会与木材表面具有较好的亲和力。基于这一发现，我们研究了生物质薄膜在木材上的涂层性能。本文介绍了一种新型的简单涂层方法，该方法不使用石油衍生聚合物和粘合剂。通过扫描电子显微镜（SEM）、衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）以及热重分析-差热分析结合质谱（TG–DTA–MS）分析了热压过程中的涂层机制。同时详细研究了不同植物种类的木材废料以及非木质材料上生物质薄膜的粘附性能，包括表面硬度、疏水性和粘附力。

材料与试剂

Eucalyptus globulus、Fagus crenata、Quercus serrata、Cryptomeria japonica、Chamaecyparis obtuse和Pinus densifora经过Willy研磨处理，未去除其中的提取物。相关木材粉通过ANF-30电动筛分机（Nitto Kagaku，日本）筛分，得到355–500 μm的木材颗粒。Phyllostachys edulis竹粉由Kunimoto Shokai（大阪，日本）提供。此外还使用了洋葱皮

无粘合剂的生物质薄膜涂层

将锯末和农业废弃物溶解在80%的甲酸水溶液中，然后浇铸形成生物质薄膜。这些薄膜通过热压技术涂覆在各种木材废料上（图1a和S1）。同时，也将其涂覆在非木质材料上，并通过剪切测试评估了涂层的粘附性（表1）。日本雪松薄膜还涂覆在铜、不锈钢和铝等金属板上

结论

目前的木材涂层主要依赖石油资源，导致较高的环境负担。例如，最常用的聚氨酯涂层在自然环境中难以分解，其制造过程中还会产生有害物质。因此，需要开发使用可再生和可生物降解资源的替代涂层方法。本文介绍了一种利用热压技术将生物质薄膜涂覆在木材上的简单方法

CRediT作者贡献声明

小林直子：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法验证、实验设计、数据分析、概念构建。桥爪智弘：撰写 – 审稿与编辑、资源准备、概念构建。渡边隆：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、资源管理、概念构建。

资助来源

日本大冢化学工业株式会社

利益冲突声明

无需要声明的利益冲突。