2021年，中國(guó)的粘合劑產(chǎn)量高達(dá)709萬(wàn)噸，其制品在使用結(jié)束后產(chǎn)生的相應(yīng)的廢棄物會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題和資源浪費(fèi)。通過(guò)研發(fā)具有循環(huán)生命周期的完全可回收利用粘合劑可以有效緩解上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)粘合劑的可持續(xù)發(fā)展。然而，現(xiàn)有報(bào)道的可回收粘合劑在復(fù)雜的應(yīng)用條件下通常存在粘附強(qiáng)度低和耐久性差等問(wèn)題。另外，在眾多應(yīng)用中，粘合劑的阻燃性能尤為重要。如應(yīng)用于電子設(shè)備時(shí)，往往需要高阻燃性來(lái)降低潛在的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。因此，開(kāi)發(fā)可完全閉環(huán)回收利用的阻燃多功能粘合劑仍然是粘附科學(xué)和材料工程領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)。
研究人員設(shè)計(jì)并合成了一種具有高耐久性的含磷改性聚有機(jī)硅氧烷（P(DPOP-Si)），其中DPOP基團(tuán)不僅可以提供有利于組裝行為的π-π相互作用位點(diǎn)，還可以大幅增強(qiáng)其阻燃性能（圖1 A）。在前驅(qū)液的乙醇溶劑揮發(fā)過(guò)程中，P(DPOP-Si)在π-π堆積相互作用力驅(qū)動(dòng)下可以在應(yīng)用基材的表面發(fā)生有序自組裝（圖1 B），從而提供強(qiáng)大的分子內(nèi)內(nèi)聚能，并賦予P(DPOP-Si)粘合劑高透明性，可見(jiàn)光透過(guò)率高達(dá)98%，霧度僅為2.5%（圖1 C-E）。
由于π-π相互作用力的對(duì)水不敏感性及其引發(fā)的強(qiáng)大分子內(nèi)內(nèi)聚能，P(DPOP-Si)在多種基材的表面均顯示出高且耐久的粘附性能。通過(guò)粘附強(qiáng)度測(cè)試發(fā)現(xiàn)，其在玻璃基材表面的剪切粘附強(qiáng)度高達(dá)3.5 MPa，同時(shí)對(duì)鋼、木材、PET薄膜等基材也展現(xiàn)出良好的粘附性能（圖2 A-C）。值得注意的是，該粘合劑還表現(xiàn)出優(yōu)異的極端環(huán)境耐受性，其在鹽/酸/堿溶液環(huán)境（pH 1-14）和寬的溫度范圍內(nèi)（-10–90 ℃）經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間處理后，其粘附性能依然保持穩(wěn)定（圖2 D-E）。
圖3 P(DPOP-Si)粘合劑的可逆組裝和循環(huán)再利用
圖4 P(DPOP-Si)粘合劑的可逆組裝/解組裝機(jī)理
通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論模擬計(jì)算在分子水平上證實(shí)了P(DPOP-Si)發(fā)生可逆組裝/解組裝行為的機(jī)理。富含芳環(huán)的DPOP結(jié)構(gòu)空間位阻較大，使得P(DPOP-Si)的交聯(lián)密度降低，從而在乙醇中具有優(yōu)異的溶解性；而在乙醇揮發(fā)過(guò)程中誘導(dǎo)形成的π-π堆積作用可快速驅(qū)動(dòng)P(DPOP-Si)的組裝，并提供強(qiáng)大的內(nèi)聚力，從而實(shí)現(xiàn)P(DPOP-Si)的可逆組裝。
圖5 用于保護(hù)涂層時(shí)的阻燃性、高耐久性以及可循環(huán)利用性
此外，P(DPOP-Si)粘合劑可用作防護(hù)涂層，應(yīng)用于不同的基材（圖5 A）。由于富含高阻燃性的含磷結(jié)構(gòu)，P(DPOP-Si)涂覆PET聚酯織物表現(xiàn)出優(yōu)異的耐久阻燃性能，在附著量?jī)H為7.3 wt%時(shí)，織物燃燒時(shí)無(wú)熔體滴落，極限氧指數(shù)從21.5%提升至34.5%，峰值熱釋放速率和總熱釋放降低，織物的火安全性得到大幅提高（圖5 B-C）。此外，P(DPOP-Si)在用作織物的防護(hù)涂層時(shí)，同樣具有可完全回收和優(yōu)異的耐久性，在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期耐水和摩擦實(shí)驗(yàn)以及5個(gè)循環(huán)利用實(shí)驗(yàn)后，涂層處理PET織物依然可以保持初始的優(yōu)異阻燃性能（圖5 D-G）。該研究為具有循環(huán)生命周期的多功能粘合劑和涂層的可持續(xù)發(fā)展提供了新的思路和策略。
原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add8527
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