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港中深张祺/长春应化所段晓征 AFM:原位相分离构筑超强离子凝胶胶粘剂
2024-12-21  来源:高分子科技

  近日,香港中文大学(深圳)张祺副教授研究团队与中国科学院长春应用化学研究所段晓征研究员团队在新型离子凝胶胶粘剂领域取得新进展,相关成果以“Ultra-strong Ionogel Adhesives via in situ Microphase Separation”为题,发表在Advanced Functional Materials。文章通讯作者为香港中文大学(深圳)张祺和中国科学院长春应用化学研究所段晓征。


  胶粘剂在日常生活和工业生产中扮演着重要角色,广泛应用于建筑工业、深海探险、航空航天、机器人、可穿戴设备、医疗等领域。离子凝胶作为一种特殊的胶粘剂,具有优异的热、化学稳定性、非挥发性、导电性能,近年来备受关注。此类胶粘剂含有大量的带电体,可以在内部结构以及界面上形成丰富的非共价相互作用,实现优异的粘附性能;然而,离子液体的塑化作用通常会限制离子凝胶的力学性能和粘附效果,因此,目前其粘附性能鲜有超越10MPa。突破传统设计思路和粘附机制的局限,发展具有更高性能的离子凝胶粘材料,具有重要意义。


  近日,香港中文大学(深圳)张祺副教授和中国科学院长春应用化学研究所段晓征研究员等人提出了一种利用微相分离结构显著提高粘附性能的超强离子凝胶胶粘剂创制策略。该离子凝胶材料通过简单的一步光固化方法,将溶于离子液体1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺(EMITFSI)中的两种单体甲基丙烯酸甲酯(MMA)和丙烯酸(AA)进行原位共聚制得。在粘附过程中,PMMA链段和PAA链段与EMITFSI的相容性存在巨大差异,通过精确调节体系中的单体比例以及离子液体含量,该离子凝胶材料可实现微相分离结构。这种微相分离结构通过提升能量耗散能力来实现本体内聚能的增强,同时通过界面处的组分自组装,实现界面粘附能的提升,进而平衡内聚能与界面粘附能,最终实现离子凝胶粘附能力的显著提升(图1)。


图1. 微相分离离子凝胶胶粘剂的结构与粘附性能示意图


  研究表明,相分离结构可以有效增强离子凝胶的粘附性能,并具有基材普适性。且对比已报道的离子凝胶胶粘剂,展现出其他胶水型离子凝胶两倍以上、胶带型离子凝胶十五倍以上的粘附性能(图2)。


图2. 离子凝胶胶粘剂的粘附性能测试结果


  通过调节单体的比例,离子凝胶历经从均相(透明)到微观相分离(半透明)再到宏观相分离(不透明)的转变。当调整到适当比例时,离子凝胶实现微相分离结构,此时,其拉伸强度和粘附力同时达到最高值(图3)。


图3. 离子凝胶相分离和性能表征


  进一步,利用SEM证实了界面上同样存在相分离结构,并利用粗粒化分子动力学模拟从分子层面研究了相结构对界面黏附作用的影响。结果表明,微相分离可以通过调整界面上形貌结构,使更多AA与基材相接触,从而形成更多的以氢键为主导的强相互作用,最终实现界面黏附能的增强。研究结果证实了微相分离结构对界面粘附力增强作用的贡献。


图4. 界面相分离及粘附能的分子动力学模拟


  本研究通过引入微相分离结构,提高本体能量耗散能力并对界面相互作用进行重排,实现了离子凝胶本体内聚能和界面黏附能的同时提升,进而在多种基材上实现超强的粘附性能。这种新颖的粘附增强策略为新型胶粘剂材料的发展提供全新的思路与见解。


  该研究成果“Ultra-strong Ionogel Adhesives via in situ Microphase Separation”近期发表在Advanced Functional Materials(DOI:10.1002/adfm.202417011),香港中文大学(深圳)理工学院硕士毕业生黄仰宇同学和西安交通大学化学学院明小庆研究员为论文共同第一作者,通讯作者为香港中文大学(深圳)理工学院张祺副教授和中科院长春应用化学研究所段晓征研究员。


  论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202417011

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(责任编辑:xu)
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