對(duì)于普通聚合物膠粘劑來說,可重復(fù)性和高粘接韌性往往是矛盾的,將這兩個(gè)特性集成到一個(gè)粘合系統(tǒng)中仍然是一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)?芍貜(fù)性需要粘合劑和基材之間的相互作用是臨時(shí)的,而高粘附韌性通常是通過永久粘接來實(shí)現(xiàn)的。本文報(bào)道了一種由軟段和硬段組成的粘彈性彈性體,該彈性體在各種軟、硬表面上表現(xiàn)出強(qiáng)韌、即時(shí)、可重復(fù)的粘附特性。這種互斥性的結(jié)合是聚合物鏈的高遷移率和界面周圍彈性體的大粘彈耗散協(xié)同作用的結(jié)果。通過優(yōu)化弛豫時(shí)間和機(jī)械耗散,得到的粘附韌性可達(dá)到2000J m-2以上,優(yōu)于目前市面上最好的膠粘劑。
現(xiàn)有的彈性體膠粘劑可分為兩大類:臨時(shí)型和永久型。臨時(shí)型彈性體膠粘劑可以通過可逆的相互作用直接粘附在固體表面上,如范德華相互作用、氫鍵、疏水相互作用、可逆共價(jià)鍵和聚合物絡(luò)合等。這種膠粘劑通常表現(xiàn)為快速、即時(shí)、可重復(fù)粘附,但由于基體在界面分離過程中的機(jī)械耗散作用有限,其粘附韌性較低。永久型彈性體膠粘劑可以通過開發(fā)永久鏈接來連接基材和彈性體粘合劑,來到達(dá)極強(qiáng)的粘接效果。例如,通過表面改性在彈性體粘合劑與底物之間形成不可逆的共價(jià)鍵,使粘接劑在界面分離時(shí)能夠充分耗散能量;或者運(yùn)用物理方法(如拓?fù)湔掣?/span>,一種機(jī)械連鎖)在彈性體膠粘劑和基材之間形成永久界面。然而,在去除過程中,永久型粘合劑的一部分不可避免地殘留在基材表面,這使得產(chǎn)品無法回收?傊瑥椥泽w膠粘劑強(qiáng)韌粘附和可重復(fù)粘附的結(jié)合一直是一個(gè)令人生畏的挑戰(zhàn)。
理論上, 剝離測(cè)試中粘附韌性(Γ): Γ = Γi+ Γd, Γi: 粘附的內(nèi)在功,與界面相互作用有關(guān); Γd: 界面周圍高度變形的膠粘劑所貢獻(xiàn)的能量耗散。因此,同時(shí)實(shí)現(xiàn)可重復(fù)和強(qiáng)韌粘附需要可逆的界面相互作用和分離時(shí)界面附近材料的高能耗散的協(xié)同作用。理想的候選材料是粘彈性材料,它一方面具有較短的松弛時(shí)間,另一方面由于粘性耗散,在加載時(shí)表現(xiàn)出大量的滯后。短的弛緩時(shí)間導(dǎo)致聚合物鏈的高遷移率,通過范德華相互作用實(shí)現(xiàn)可重復(fù)粘附。同時(shí),粘彈性材料在界面分離過程中會(huì)耗散大量的能量,從而獲得較高的Γd。
基于上述考慮,在這里,他們報(bào)告了一種簡(jiǎn)單的彈性體系統(tǒng),它可以即時(shí)、強(qiáng)韌、可重復(fù)的粘附在各種軟硬表面。結(jié)合這些矛盾性質(zhì)的關(guān)鍵是將均聚物具有不同玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)的丙烯酸酯單體共聚,得到一個(gè)Tg略低于室溫的共聚物。所得到的粘彈性彈性體,一方面具有較短的松弛時(shí)間,另一方面具有較高的能量耗散。這種協(xié)同作用使彈性體通過其聚合物鏈的高遷移率和界面分離時(shí)的大滯后表現(xiàn)出可重復(fù)且強(qiáng)韌的粘附特性。粘附韌性超過2000 J m-2,而且重復(fù)100次以上的粘附/剝離循環(huán),其粘附韌性損失很小。同時(shí),彈性體具有自恢復(fù)性、自愈性和良好的耐久性。在一系列丙烯酸酯單體中,制造強(qiáng)韌、可重復(fù)粘附的粘彈性彈性體被證明是有效的,表明了該策略的普遍性。最后,由于彈性體和軟基板之間的強(qiáng)韌粘附性,他們展示了多層電阻式傳感器的簡(jiǎn)單組裝,其組件也可以根據(jù)需要拆卸和回收利用。這項(xiàng)工作提供了一種簡(jiǎn)單的方法來開發(fā)強(qiáng)粘合劑,實(shí)現(xiàn)在不同表面的強(qiáng)韌和可重復(fù)粘附,這為降低工業(yè)領(lǐng)域回收混合器件的成本提供了巨大的潛力。
相關(guān)論文在線發(fā)表在 Advanced Science上。四川大學(xué)崔為副研究員、國科大溫州研究院陳強(qiáng)研究員為共同通訊作者。
論文信息:
Tough, Instant, and Repeatable Adhesion of Self-Healable Elastomers to Diverse Soft and Hard Surfaces
Ke Li, Xingjie Zan, Chen Tang, Zhuangzhuang Liu, Jianghuan Fan, Gang Qin, Jia Yang,Wei Cui,* Lin Zhu, and Qiang Chen*.
Advanced Science
DOI: 10.1002/advs.202105742
原文鏈接:https://doi.org/10.1002/advs.202105742
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