羽毛角蛋白改性脲醛树脂模压秸秆花盆力学及降解性能

雍 宬，杜珂珂，孙恩惠，黄红英，曲 萍，徐跃定，关明杰，张鹤鸣

（1. 江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，南京 210014；2. 江苏省固体有机废弃物资源化利用协同创新中心，南京 210014；3. 南京林业大学材料科学与工程学院，南京 210037）

0 引 言

森林生物质、农业残留物和能源作物构成了生物质资源的三大来源[1]，其中农业残留物每年产量巨大，如果不加以合理利用不但会造成严重的资源浪费还会对环境产生污染。农作物秸秆作为一种农业残留物具有产量大、分布广的特点，利用潜力较大，是中国生物质资源利用重点方向之一。农业秸秆废弃物在肥料和饲料方面已有广泛而成熟的应用，但在材料化利用方面却占比较少[2-4]，提高秸秆的材料化利用率有助于提高秸秆的综合利用量并减少固体废弃物污染。利用秸秆纤维较高比强度、比模量的优势制备天然纤维复合材料是秸秆废弃物材料化利用的途径之一，例如：将秸秆纤维和胶黏剂按照一定比例混合均匀，通过热压或冷压后固化成型后制备容器制品，或者将废弃秸秆生物制浆后成型制备包装材料。目前，秸秆纤维已被用于制作为农用秸秆育苗钵[5]、可降解秸秆地膜[6-7]等农业领域用复合材料。

秸秆本身富含植物纤维及一定量的碳（C）、氮（N）、磷（P）、钾（K）等营养元素，合理堆肥或发酵工艺处置后适用于植株生长，用秸秆纤维代替塑料和陶瓷，辅以各种胶黏剂模压制作秸秆花盆，为秸秆废弃物的利用提供了一种有效途径并减少了化工产品带来的环境污染[8]，符合农业农村部《绿色发展技术导则（2018—2030）》对秸秆综合利用的要求。然而，秸秆纤维表层富含蜡质层影响秸秆纤维和胶黏剂的界面胶合，秸秆纤维吸湿导致花盆湿强度差，机械性能低等诸多缺点[9-10]，无法大范围推广应用。研究表明，市售秸秆花盆采用的脲醛树脂[11-12]等高性能胶黏剂可有效提高秸秆花盆的力学性能和耐水性，但脲醛树脂胶黏剂缩聚固化后形成稳定的体型交联结构，很难自然降解[13]，使用脲醛树脂胶黏剂制备的秸秆花盆在达到使用寿命后丢弃容易造成二次固体污染，不符合农业绿色发展的需要。

研究表明，将可天然降解聚合物—蛋白质引入到脲醛树脂的结构网络中可提高其降解性能[14]。不同于其他植物蛋白，角蛋白除了是一种可天然降解聚合物外，大量的二硫键使其表现出高于其他蛋白质的机械强度，被称为最坚韧的生物材料之一[15-16]。张平[17]通过将羽毛粉体和甘油共混制备热塑性薄膜，研究表明，在增塑剂质量分数为30%，还原剂质量分数为2%，温度130 ℃时经热压成型出较好力学性能的薄膜。王海洋等[18]以羽毛蛋白和羧甲基纤维素钠为原料，甘油为增塑剂，采用浇筑法制备羽毛蛋白薄膜，各组分之间相容性好。Garrido等[19]研究发现，羽毛水解蛋白与大豆水解蛋白共混浇筑成薄膜能显著提升薄膜的热稳定性和力学性能。目前，中国畜禽养殖业每年都会有大量的动物羽毛因处理不当废弃，其中较高的含硫量导致无论焚烧或者掩埋均会对环境造成严重污染，而加工成羽毛粉用于配合饲料制作昂贵豆饼，这个过程消耗大量水和能源，并引起禽流感等传染病出现[20]。

综上分析，如何从废弃羽毛中提取角蛋白应用于脲醛树脂接枝改性，制备一种绿色可降解型胶黏剂提升秸秆花盆力学性能和可降解性是亟待解决的重点问题。本研究从可再生资源以及废弃物再利用角度出发，从废弃羽毛中提取角蛋白改性脲醛树脂，混合农业废弃秸秆制备可自然降解秸秆花盆。探究角蛋白添加量对脲醛树脂及秸秆花盆力学性能和降解性能的影响，拟为适用于秸秆基复合材料可降解胶黏剂配方的改进及制备降解型秸秆基花盆的工艺改进起到科学上的指导。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

废弃鸡毛取自江苏省南京市孝陵卫菜市场，将鸡毛中杂质挑出，洗净烘干后装入密封袋储存于阴凉干燥处备用；水稻秸秆取自当季新鲜秸秆，江苏省农业科学院农业资源与环境研究所提供，粉碎至1～2 cm，粉末颗粒状的秸秆腐熟剂（接种量1%，基于秸秆干质量，菌剂主要由枯草芽孢杆菌、娄彻氏链霉菌等多种复配而成），秸秆腐熟剂由南京宁粮生物工程有限公司提供。粉碎的秸秆混合秸秆腐熟剂均匀，调节秸秆物料含水率65%，秸秆物料在密封箱体内经12 d微生物改性处理，第6天出料翻堆1次，第12天出料晒干后获得微生物改性的秸秆纤维；土壤取自江苏省农业科学院院内试验田，土壤类型为灰潮土，其有机质含量36.55 g/kg，全氮含量1.15 g/kg，全磷含量0.99 g/kg。

1.2 试验方法

1.2.1 角蛋白的提取

将鸡毛洗净烘干后进行脱脂处理，然后浸入1 g/L的西曲溴铵（CTAB）溶液中处理4 h去除微生物，清洗，将洗净后的鸡毛烘干装入密封袋备用。

取一定量的预处理鸡毛，剪碎，浸入8 mol/L的尿素溶液中，加入鸡毛质量10%的L-半胱氨酸，用20%氢氧化钠（NaOH）溶液调节pH值至12，在水浴85 ℃下搅拌5h 后取溶液，然后以10 000 r/min速度离心15 min，取上清液，用浓度37%的盐酸（HCL）溶液调节pH值至4沉淀出溶解的蛋白质，去离子水清洗直至清洗液变透明无色，得新鲜角蛋白，冻干后得角蛋白粉末[15]。

1.2.2 降解型脲醛树脂的制备

采用“碱-酸-碱”尿素三步加入工艺制备脲醛树脂，尿素与甲醛的总摩尔比为1∶1.4 （U∶F=1∶1.4），将一定质量的37%甲醛溶液加入反应釜，升温至40～45℃ ，使用20%NaOH溶液调节pH值至8.0～8.5，加入第一阶段尿素U1，反应10 min，升温至65 ℃后加入尿素总质量2%的PVA-124，升温至88～92 ℃，保温50 min；使用10%氯化铵溶液调节pH值为5.0～5.5，加入第二阶段尿素U2以及尿素总质量2%的三聚氰胺，保温反应至终点；使用20%NaOH溶液调节pH值为7.5～8.5，加入第三阶段尿素U3，反应20～30 min；使用20%NaOH溶液调节pH为7.5～8.5，冷却至35 ℃出料。以尿素与甲醛物质的量总比值1∶1.4为最终比例。第一阶段，第二阶段和第三阶段尿素与甲醛的摩尔比分别为1∶2.0，1∶1.5和1∶1.4；在第三阶段加入尿素时，角蛋白添加量分别为尿素总质量的1%，3%和5%，改性脲醛树脂分别记为K1UF，K3UF和K5UF，同时制备不含角蛋白对照组UF。

1.2.3 秸秆花盆的制备

将秸秆纤维与改性脲醛树脂按照40%的施胶量采用拌胶方式混合均匀后[8]（同时添加纤维质量1%的石蜡作为防水剂），使用模压机（山东滕州同力气动液压设备有限公司，中国）在温度130 ℃，压力10 MPa的热压条件下制备成型花盆，热压时间3 min，每个花盆质量（100±5）g。UF，K1UF，K3UF和K5UF制备的花盆分别记为F，F1，F3和F5。

1.2.4 降解型脲醛树脂性能测试

1）基本理化性质测试

使用NDJ-5s型数字黏度计（上海安德仪器设备有限公司，中国）测量脲醛树脂的黏度；使用烘干法测量脲醛树脂的固含量；使用氯化铵法[20]测量脲醛树脂中游离甲醛含量。

2）官能团变化测试

傅立叶红外光谱分析测试：将脲醛树脂在冷冻干燥机中冷冻干燥后研磨成粉末，采用Tensor 27型傅立叶红外光谱仪（Nicolet iS50-Thermo Scientific，美国）对树脂进行官能团变化表征分析，波数扫描范围4 000～500 cm-1，分辨率采用4 cm-1，每个点扫描次数设置为32次。

3）热力学性质测试

热重测试：将脲醛树脂在冷冻干燥机中冷冻干燥后研磨成粉末，采用S II 7200型热重仪（HITACHI，日本）分析树脂的热降解性质，取6～8 mg样品放置在坩埚中，控制升温速率为10 ℃/min，温度测试范围30～600 ℃，全程在氮气气氛保护下进行，气流速率180～200 L/min。

1.2.5 秸秆花盆性能测试

1）力学性能测试

将花盆锯解成长×宽×厚为100 mm ×10 mm ×2 mm，参考GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》[21]，采用三点弯曲方法，利用微机控制电子万能力学试验机（CMT4304，深圳新三思计量技术有限公司，中国）测量计算花盆的抗弯强度（MOR）、弹性模量（MOE），加载速率2 mm/min。

2）微生物潜在降解能力试验

将花盆底部平面部分制成长×宽×厚为50 mm ×50 mm ×2 mm大小后在紫外线灯下灭菌15 min，然后放置在非全养分琼脂培养基上（培养基的制备方法参照标准ISO 846：2019[22]）。将孢子悬浮液（4.86 × 105 CFU/mL，从土壤中筛取混合微生物制成，0.15 mL）均匀涂布于样品表面，置于28 ℃、90%湿度的培养箱中培养28 d。每2 d拍摄一次样品照片，使用软件（ImageJ，National Institutes of Health，v1.8.0，Bethesda，美国）计算并记录微生物在花盆表面的生长面积，评价花盆潜在降解等级。

3）土壤掩埋降解测试

将F，F1，F3和F5锯解，每种花盆取出30个长×宽×厚为100 mm×10 mm×2 mm大小的试样称取并记录质量后分成6组，掩埋在地表20 cm以下进行花盆的土壤掩埋降解测试，掩埋地点为江苏省南京市玄武区钟灵街50号江苏省农业科学院院内，土壤类型为当地田园土中常见的灰潮土，掩埋降解时间2020年8月4日—2021年2月4日，每一个月取出一组，用去离子水仔细清洗降解花盆试样并烘干后称取记录质量计算花盆的降解速度。花盆降解质量百分比计算方法为

W=mi/M× 100%

式中W为花盆降解的剩余质量百分比，%；mi（i=1，2，3，4，5，6）为花盆每个月降解后的质量，g；M为花盆的初始质量，g。

2 结果与讨论

2.1 脲醛树脂基本理化性质分析

表1 为改性脲醛树脂的基本理化性质。从表中可以看出角蛋白添加量越高，则改性脲醛树脂的游离甲醛含量越低，相比于尿素，角蛋白含有更多的反应活性点可以与甲醛反应从而降低游离甲醛含量。同时从表1中可以看出随着角蛋白质添加量的提高改性脲醛树脂的黏度增大，尤其是K3UF的黏度达到了425.0 mPa·s，原因可能是角蛋白参与脲醛树脂形成体型交联结构，填充体系孔隙，使得体系的黏度增大[23-24]；而另一方面，在脲醛树脂合成过程中，角蛋白中通过-COOH等基团接枝到了脲醛树脂网络结构中，使得脲醛树脂的交联结构更加复杂从而增加了其黏度。角蛋白的加入对脲醛树脂的固含量并没有明显影响。

表1 改性脲醛树脂的基本理化性质Table 1 The basic properties of modified urea-formaldehyde adhesive

2.2 脲醛树脂的FTIR分析

图1 为改性脲醛树脂的FTIR曲线。从图中可以看到树脂在3 290 cm-1处有一个强吸收峰，这对应于自由的O-H和N-H官能团[25]，且K3UF的吸收峰最强，O-H和N-H基团数量的提高有利于氢键的形成，而蛋白质分子间的氢键有利于提高脲醛树脂的键合强度。2 960 cm-1处的吸收峰对应亚甲基峰（C-H），随着角蛋白添加量提高，亚甲基（C-H）峰逐渐减弱，脲醛树脂中游离甲醛含量下降，与实际测得游离甲醛含量变化一致；2 900 cm-1附近的峰对应甲基振动峰（C-H），相较于UF，K1UF、K3UF和K5UF甲基（C-H）峰产生向更高波数方向移动（2 845→2 900 cm-1），说明改性后脲醛树脂内部结构变得更加稳定，可能是角蛋白同时与甲醛和尿素反应，使其内部更加聚合。

1 540 cm-1处的峰对应于N-H官能团的弯曲振动带，C-N官能团伸缩振动带的特征峰出现在1 340 cm-1处，而1 006 cm-1处的峰值属于C-O伸缩振动，在FTIR分析的基础上可以推断出角蛋白中的-NH和-COOH基团有利于与脲醛树脂的共聚，从而形成交联网络[26-27]。

2.3 脲醛树脂TG分析

图2 显示了改性脲醛树脂的热重TG和微分热重DTG曲线。从图2a中可以看出UF，K1UF、K3UF和K5UF的热解分为4个阶段，从TG数据中得到4个阶段对应的温度范围分别为 0～100，100～250，250～400及400 ℃以上。第一阶段为UF内自由水和结合水的挥发，质量损失约为2%；第二阶段为结合水和羟甲基脲等不稳定的小分子的分解，质量损失约为13%；第三阶段为脲醛树脂交联结构的热分解，从图2b中可以看出在这一阶段UF的最大热解峰较为平缓，最大热解峰对应温度为272.09 ℃，而K1UF，K3UF和K5UF的最大热解峰则较为尖锐，最大热解峰对应温度分别为279.09，285.8和279.36 ℃说明角蛋白加入后脲醛树脂交联结构的起始热解温度变大且热解温度范围更小，代表树脂缩聚交联结构的第三热解峰对应温度越高，胶黏剂的热稳定性能越好，改性脲醛树脂聚合程度越高；在第四阶段的热分解，与 UF相比，K1UF，K3UF和K5UF的最终残留量降低，材料的自然降解是包含热降解等在内的复杂过程[28]，脲醛树脂更低的残留量有利于其制备的复合材料自然降解后对环境的保护。

2.4 秸秆花盆的力学强度分析

图3 为秸秆花盆F，F1，F3和F5的抗弯强度和弹性模量。由图可知，经过角蛋白改性后的脲醛树脂制备的秸秆花盆F1，F3和F5的抗弯强度和弹性模量分别为38.08，47.4，38.64和2 457，2 552，2 427 MPa，其中F3的力学强度提高最为明显，其抗弯强度和弹性模量相比于F分别提高了85.59%和8.97%。秸秆花盆力学强度提高的原因一方面可能是角蛋白通过-NH和-COOH基团参与树脂体型结构交联有利于胶黏剂在基材表面延展渗透形成稳固的胶合界面，树脂自身网络结构的改变使得其胶合强度上升，另一方面，由于角蛋白改性脲醛树脂的黏度提升，避免了在胶黏剂在纤维内的过渡渗透，形成细长且无效的“胶钉”，树脂在基材之间更易形成优良的胶合界面层，致使花盆的力学强度提高[29-30]。同时，由于秸秆纤维经过生物改性处理，其表面的硅和蜡质层被去除，暴露出更多的-OH等基团，角蛋白中的-COOH等与这些经生物改性后暴露的基团之间形成化学键，从而提高了秸秆/脲醛树脂复合花盆的力学性能[31-32]。而过多的角蛋白未参与体型结构交联反应，以填充形式存在，引起树脂和基材形成的胶合界面层强度的下降造成复合材料应力传导过程的减弱，进而影响材料宏观力学性能。

2.5 秸秆花盆的微生物潜在降解能力评价

表2 为微生物在材料表面生长情况等级评价表，生长等级越高，微生物在材料表面生长情况越好，材料的微生物分解和崩解能力越强。图4为土壤微生物在秸秆花盆表面培养28 d后的生长情况，首先秸秆花盆中包覆胶黏剂溶解，容器表面氧化，进而秸秆微纤丝链段断裂，脂肪族键和酯健的分解。而微生物生长和氮元素含量密切相关，合适的碳氮条件有利于促进微生物在秸秆花盆表面的生长。且由于秸秆自身含晶区和不定型区多种聚糖组成，可以为微生物的生长提供原料和养分，微生物在每种秸秆花盆表面生长面积和速度有差异。包覆秸秆外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。由肉眼观察可知，微生物在F表面覆盖面积较小，生长面积百分比为68.0%；脲醛树脂经角蛋白改性之后，微生物在F1，F3和F5的表面覆盖面积分别达到78.1%，81.6%，91.2%，F1和F3表面上微生物生长等级达到了5级，在F5表面达到了6级。角蛋白为微生物提供了生长环境所需的氮源补充以达到合适的碳氮比例，这是除秸秆纤维以外的养分，而秸秆中的养分主要来自聚糖类物质的降解，角蛋白更有利于秸秆花盆在自然环境下的降解。

表2 微生物生长等级评价Table 2 Evaluation of microorganism growth grade

2.6 秸秆花盆的自然降解速率

如图5所示为秸秆花盆经土壤掩埋之后的自然降解速度。由图中可以看出秸秆花盆在前期的降解速度较快而后开始变缓，是因为在土壤掩埋前期温度与湿度较高，更加适宜微生物的生长，秸秆花盆被微生物侵蚀的速度更快[33]。角蛋白添加量越高，秸秆花盆的降解速度越快，这与微生物在秸秆花盆表面的生长面积保持一致。6个月后，F1，F3和F5的剩余质量百分比分别为70.51%，69.32%，64.10%，相比于未改性脲醛树脂模压制备的秸秆花盆降解质量分别提升48.64%，54.64%，80.95%。与F1和F3相比，F5的降解速度更显著，可能是因为当角蛋白添加量为尿素总量5%时，有部分角蛋白并未接枝到脲醛树脂网络结构上而是以游离形式存在，为微生物的生长提供了更多的养分，造成花盆更加快速的降解。

3 结 论

1）角蛋白替代部分尿素，与甲醛反应接枝到脲醛树脂网络结构上，降低脲醛树脂的游离甲醛含量并提高其黏度，角蛋白中的-NH和-COOH基团有利于与脲醛树脂的共聚，同时，热重分析表明，经角蛋白改性后脲醛树脂第三最大热降解峰对应温度提高，树脂热稳定性能提升，角蛋白添加量为尿素总量3%时改性脲醛树脂形成体型交联结构稳定，树脂的热稳定性最佳。

2）由角蛋白改性脲醛树脂制备的秸秆花盆F1，F3和F5的弹性模量和抗弯强度分别为2 457，2 552，2 427和38.08，47.4，38.64 MPa，相比于未改性脲醛树脂模压制备的秸秆花盆，提升4.91%，8.97%，3.63%，和49.10%，85.59%，51.29%，当角蛋白添加量为尿素总量3%时，秸秆花盆的抗弯强度和弹性模量最大。

3）角蛋白改性脲醛树脂模压制备的秸秆花盆因其较高的氮含量有助于促进微生物在其表面的生长，这有利于土壤掩埋后提升秸秆花盆降解速度，6个月后秸秆花盆的剩余质量百分比分别为70.51%，69.32%，64.10%，相比于为改性脲醛树脂模压制备的秸秆花盆，降解质量分别提升48.64%，54.64%，80.95%。