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  近日，湖南大學材料科學與工程學院張世國教授團隊在Advanced Materials發表研究論文，報道一種高粘附性的聚離子液體材料。

膠粘劑材料在多個領域都有著廣泛的應用場景。盡管近年來許多基于多巴胺結構的高分子膠粘劑廣為報道，但其存在的不可逆氧化交聯、合成繁瑣、循環性能差等問題卻始終存在，開發一種新型多功能膠粘劑仍是一個巨大的挑戰。

  離子液體，由有機陽離子和無機或有機陰離子組成的一類室溫熔融鹽，具有諸多常規有機分子不具備的特性，例如，極低的蒸氣壓、不可燃性、高離子導電性、與各種有機/無機材料間良好的相容性，以及高(熱、化學和電化學)穩定性等。由于大多數離子液體在室溫處于液態，直接使用離子液體作為一種膠粘劑材料使用顯得不切實際。聚離子液體，結合了離子液體固有的化學性質和聚合物的基本物理性質（機械耐久性和可加工性等），表現出了直接作為膠粘劑材料使用的可能性。然而，由于其過高的玻璃化轉變溫度(T_g)使得目前報道的大部分聚離子液體材料在室溫下大多都是質地偏脆的固體粉末。此外，一般的聚離子液體本身幾乎沒有粘附特性，不能直接作為膠粘劑使用。

圖1 烷氧基聚離子液體(PIL-m-TFSI)及其它對比樣品的結構式

  本研究表明，通過在含有雙(三氟甲磺酰亞胺)(TFSI^?)陰離子的聚離子液體的陽離子主鏈上簡單地引入烷氧基側基，傳統的聚離子液體就可以設計成高效的膠粘劑，如圖1所示。柔性烷氧基側鏈的加入不僅顯著降低了聚離子液體的玻璃化轉變溫度，而且使這些材料具有很強的氫鍵相互作用，再加上內部獨特的靜電相互作用，以上因素的共同作用使得烷氧基聚離子液體表現出了較高的內聚能和界面粘附能。

圖2 烷氧基聚離子液體流變行為及宏觀粘接實驗

  如圖2所示，在室溫條件下，聚離子液體的儲能模量(G′, 4.59 × 10⁶ Pa)、損耗模量(G″, 3.99 × 10⁶ Pa)以及復合黏度(η, 9.68 × 10⁵ Pa·s)都非常大，表明聚離子液體在變形過程中存在強烈的分子鏈糾纏。隨著溫度的升高，這三個數值顯著降低(圖1b, c)。這一變化表明可能存在由熱不穩定的氫鍵組成的網絡結構。在宏觀測試中發現，這類烷氧基聚離子液體對各種基材，如玻璃、陶瓷、不銹鋼、鋁合金和聚合物都具有很強的粘附作用。12cm²的粘附面積可以輕松懸掛42kg的重物而不脫落(圖2e)。

圖3 粘接強度的定量測試

  如圖3所示，通過搭接實驗對聚離子液體膠粘劑粘接強度進行定量測試發現，聚離子液體膠粘劑材料表現出來了基底材料的普適性和強的溫敏性。此外，其粘接強度與結構參數（陰離子類型、烷氧基側鏈長度、是否具有離子基團、烷氧基季銨化修飾程度等）密切相關。高玻璃化轉變溫度的聚離子液體膠粘劑出現粘接強度降低的原因可能是界面粘接強度的降低。

圖4 內聚能(CED)和界面黏附能(IAE)的理論計算

  如圖4所示，通過分子動力學計算表明，聚離子液體內部以及與多羥基基底表面之間均存在大量的氫鍵作用。并且均表現出相對較高的內聚能(CED)和界面黏附能(IAE)數值。

圖5 烷氧基聚離子液體膠粘劑及其復合物的多功能應用

  如圖5所示，利用該高粘附性的聚離子液體材料，可以有效修復多種材料的斷面，如斷裂的瑪瑙研缽杵，斷裂的玻璃瓶等。利用聚離子液體與多壁碳納米管或銀納米纖維材料間的高相容性，還制備出了光響應型膠粘劑和導電復合膠粘劑。

圖6 外加電場對烷氧基聚離子液體膠粘劑粘接強度的影響

  如圖6所示，PIL-2-TFSI聚離子液體膠粘劑表現出了對外界電場獨特的可逆響應，在外界電場作用下，宏觀粘接強度可在一定范圍內做出響應，最高能提升35%左右。這一提升現象受到外加電壓高低、環境溫度高低、以及作用時間長短影響。與系列聚離子液體膠粘劑宏觀斷面情況相結合，本研究認為外界電場對宏觀粘接強度的提升的作用可能是通過提升了界面黏附強度來實現的。

  湖南大學材料科學與工程學院博士研究生張俊和碩士研究生陳展鷹為論文共同第一作者，張世國教授為論文的通訊作者，湖南大學為第一通訊單位。該項研究得到了國家海外高層次人才計劃、國家自然科學基金面上項目、湖南省杰出青年基金以及湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室自主研發項目等基金項目的支持。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202100962