林化所周永红研究员、南昆大宋平安教授 AFM：通过链段设计构建机械坚固、本质阻燃、可热切换、可降解的聚氨酯粘合剂

2024-09-06 来源：高分子科技

粘合剂通过化学和/或物理作用将不同的组分粘合成半成品或成品，在工业、汽车、建筑等领域被广泛应用。近年来，具有优良综合性能（包括高粘合强度、高延展性、阻燃性、生物基、生物降解性和可重复使用）的下一代高性能粘合剂的需求不断增加，这种性能组合已成为汽车、家具、建筑、电子和航空航天领域实际应用的主要目标。尽管目前已取得了一些进展，但由于缺乏合理的设计策略，目前市售和报道的粘合剂仅显示上述一种或两种性能，尚未实现优异的性能组合，以满足实际应用需求。

近日，中国林科院林化所周永红研究员和澳大利亚南昆士兰大学宋平安教授合作，以丙烯海松酸-DOPO衍生物作为硬段合成了一种新型生物基聚氨酯粘合剂PU-AD，实现了聚氨酯弹性体的坚固、高粘接、阻燃、可切换和可持续（如生物基，可重复使用，可生物降解）（图1）。

图1. 聚氨酯胶黏剂PU-AD的结构和表征

研究团队通过丙烯海松酸和DOPO构建的扩链剂开发出一种高性能聚氨酯弹性体胶黏剂，该弹性体结构中的π–π相互作用不仅可以通过增加链间的内聚能来促进粘附，还可以通过物理交联来改善胶粘剂的力学性能，此外它还具有阻燃性、生物可降解性和可重复利用性，其综合性能要优于其它胶黏剂（图1）。

图2. PU-AD的力学和粘合性能

由于丙烯海松酸的极性作用、聚氨酯分子间以及与基体之间的氢键和π–π堆积作用，所制备的聚氨酯胶粘剂的剥离强度高达38.8 N cm^-1（以PVC为基体），且可以支撑自身重量1000倍的重物。另外，对于其它极性基体也显示出良好的粘接性能，如玻璃、木材、金属等。由于该聚氨酯在乙醇中良好的溶解性，它可以很容易地重复使用，并且表现出温度响应的可切换粘附而不发生粘附失效（图2）。

图3 PU-AD的阻燃性能

聚氨酯弹性体还显示出优异的阻燃性能，如在点燃后马上自熄、燃烧速度变缓、燃烧滴落物减少，且可作为涂层粘附在基体表面，在被点燃时有效保护基体的完整性。出色的阻燃性能基于聚氨酯弹性体在固相和凝聚相中的双相作用模式。一方面，丙烯海松酸和DOPO促使弹性体生成较高质量的残炭从而作为物理屏障有效隔绝热量的传递；另一方面，DOPO在气相中起到自由基捕捉和可燃气体稀释的作用（图3）。

图4. PU-AD的双模式降解

聚氨酯弹性体的硬段结构中含有不稳定的多级酯键，因此具有生物和化学双降解模式，在脂肪酶水溶液或低浓度酸性溶液下可以完全降解，且化学降解速度更快（图4）。

图5. Cu/PU-AD的散热性

聚氨酯弹性体作为铜粉粘合剂制备的铜膜涂覆于电脑CPU表面显示出比商业散热硅脂更高的散热效率，在CPU过载运行120秒后能够使CPU表面温度有效降低30 °C。此外，由于聚氨酯弹性体在乙醇中良好的溶解性，使用后的铜膜可以通过在乙醇中超声回收弹性体，从而减少塑料浪费和微塑料污染（图5）。这项工作为制备具有循环生命周期和功能集成的下一代可持续高性能粘合剂提供了一种新的设计方法，并有望在电子领域实现广泛应用。

以上研究成果近期以“Engineered functional segments enabled mechanically robust, intrinsically fire-retardant, switchable, degradable polyurethane adhesives”为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊，中国林科院林化所博士后薛逸娇为文章第一作者，中国林科院林化所周永红研究员和澳大利亚南昆士兰大学宋平安教授为论文的共同通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金、中国博士后面上和特别资助等科研项目的资助。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202409139

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（责任编辑：xu）

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