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中山大学付俊教授课题组 Chem. Eng. J.:基于超分子相互作用水下胶粘剂
2023-12-19  来源:高分子科技

  水下粘合剂在医疗、海洋及化工工业等领域具有广泛的应用前景。水下粘合可用于管道的修补,气液防泄漏等方面。常见的剂在干燥条件下表现出即时、可逆和原位粘附行。然而,由于基底界面处有高水合层的屏蔽,使得粘合剂附着力较弱,容易从湿基底表面脱落因此,开发一种在潮湿甚至水下环境中具有强效、非特异性和可逆粘附性的粘合材料仍然具有挑战性。


  中山大学材料科学与工程学院付俊教授团队报道了一种高性能的水下粘合剂(CAH),在其中构建微相分离的疏水微区,在界面处排水,以利于在界面处形成氢键、静电、配位及阳离子相互作用促进水下粘附粘合剂由疏水丙烯酸己酯C6和苯乙烯St),亲水性丙烯酸AAc)以及功能化的金刚烷与β-环糊精的主客体组装体共聚而成(图1),其中主客体组装体作为交联剂,可提高粘合剂的力学性能。疏水C6St共聚物链段与亲水链段分离,聚集形成疏水区,在粘合剂-基底界面,疏水微区发挥界面排水作用,从而在基底材料表面建立非共价相互作用的水微环境1d基于此原理,粘合剂能很强地粘附在玻璃、铜、塑料材、骨等多种基材表面,且界面粘附强度不受酸、碱、PBS溶液影响 


粘合剂的制备及在水下粘附机理


  CAH在空气和水下对不同的基底均展现出强的粘附性能(图2a如,粘合剂CA对塑料、木板、铜板及玻璃的粘附强度约为95~ 115 kPa左右,而对硅橡胶与猪皮的粘附强度分别约为43.36~64.5023.05~36.04 kPa(图2b)。粘合剂在水下对各种基材具有高的粘附强度,主要是由于表面丰富的疏水微区可以打破粘合剂和基底之间的水化层,从而促进CAH与基底之间的非共价相互作用亲水链可与玻璃上的羟基形成氢键,与木材形成氢键与π-π,与铜板形成阳离子与配位,与塑料形成静电和偶极子等CAH涂覆在PET薄膜上,制作单面胶带可用于液体防漏,例如,在装满水的聚乙烯桶底部附近钻一个直径约0.5厘米的小孔,水不断的从小孔漏出,将CAH胶带直接粘贴在漏水孔上,漏水立即停止。2c同时CAH胶带也用于密封泄漏的硅胶软管,密封时间至少2.5 h2d)。 


2a, bCAH与各种基材的粘附强度及照片;(c)基于PET膜的CAH胶带密封泄漏聚乙烯;(dCAH胶带密封漏水的水管。


  CAH在水下可以直接粘附底表面CAH在玻璃表面的附着力足以承受至少27秒的水冲刷(3a),其附着力不受水化层的干扰,可能是由于在界面处存在疏水微区。CAH可以在水下直接粘在贻贝表面(3b)。疏水微区的存在可以抵抗溶液的入侵CAH不同环境(水、HClpH = 2NaOHpH = 10PBS溶液饱和NaCl溶液对玻璃的粘附强度分别约为115.71 kPa101.57 kPa94.84 kPa91.11 kPa98.46 kPa103.30 kPa3c, d可见粘附强度不受环境变化的影响,因为界面处的疏水微可以抵抗环境的干扰通过循环粘接-剥离试验研究了粘附的可逆性,经10次循环CAH对玻璃的粘附强度依然保持稳定(88.24 ~ 106.19 kPa)(3e 


3a)玻璃表面CAH水爆破图;(bCAH水下提升贻贝和c小瓶的图;(d不同溶液中CAH玻璃的粘附强度;(e10粘接-剥离循环下CAH玻璃的粘接强度变化


  CAH对骨头具有很强的粘附性,在治疗骨缺损方面具有应用潜力研究发现,CAH能粘接牛骨缺损(4a),在空气中,CAH对牛骨的粘接强度约为112.58 kPa4e),能承受整个牛骨的重量2.86 kg)(4c),抵抗105.5 N的拉力(4d。将粘附的牛骨浸水中10分钟后4b粘接的牛骨仍然保持其原始形状,未见脱离的迹象,且粘附强度约为91.51 kPa4e 


4ab)在空气和水下CAH牛骨的粘接;(c在空气中提起牛骨(2.86 kg)图;(d)粘接后牛骨的极限分离;(e)在空气和水下CAH对牛骨的粘附强度。


  该研究开发了一种基于超分子相互作用的新型水下粘合剂CAH通过在水中诱导疏水聚集,巧妙实现在水下对基材的粘附行为。值得注意的是这种利用超分子相互作用的策略将为水下粘合剂的发展提供契机


  该工作以Reversible, Ultra-strong Underwater Adhesive Based on Supramolecular Interaction for Instant Liquid Leakage Sealing and Robust Tissue Adhesion为题发表在Chem. Eng. J.上。文章第一作者是中山大学材料科学与工程学院2020级博士杨海龙付俊教授为通讯作者 该工作得到了国家自然科学基金(22375225, 51873224)和中山大学研究生教育基金(29000-11230011的支持。


  原文链接https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894723067967


付俊教授简介

  中科院“百人计划”、中山大学“百人计划”、浙江省杰出青年基金入选者。Wiley出版社J Polym Sci编辑,英国皇家学会学术期刊J Mater Chem BMaterials Advances编委。博士毕业于中国科学院长春应用化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室。先后在德国马普高分子研究所美国哈佛医学院附属麻省总医院、中科院宁波材料所工作2019年加入中山大学材料科学与工程学院,任教授,博导。主要从事高性能与智能仿生柔性材料、柔性传感与可穿戴设备、水凝胶组织工程材料、生物3D打印等方面的基础研究与应用技术开发


  相关成果已在Adv Mater, Adv Funct Mater, Chem Eng J, Mater Horiz, Chem Mater等高水平期刊发表论文140多篇,出版英文专著1部,全部论文累计被引用8900余次,H指数51,授权美国发明专利1项,中国发明专利40多项。获第十七届冯新德高分子奖最佳文章提名奖,英国皇家化学会2020Materials Horizons Outstanding Paper-Runners-up Award等奖项。


  团队常年招聘高分子、生物材料、水凝胶、柔性传感、柔性驱动等方向的副教授、助理教授、研究助理教授、研究副教授、博士后等。欢迎青年学子报考本团队硕士、博士研究生。课题组主页:

  https://mse.sysu.edu.cn/teacher/98

  http://www.polymer.cn/ss/fujun/index.html

  https://scholar.google.com/citations?hl=zh-CN&user=_G1QhgEAAAAJ&view_op=list_works&sortby=pubdate

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(责任编辑:xu)
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