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安農(nóng)大汪鐘凱教授、王鐘副教授團(tuán)隊(duì) JMCA：超低溫下服役的高強(qiáng)、超韌性生物基膠黏劑

2023-03-09 來源：高分子科技

關(guān)鍵詞：聚酰胺多層級氫鍵網(wǎng)絡(luò) 仿蛛絲蛋白彈性體耐極寒超分子粘合劑

高耐候型膠黏劑對于從工業(yè)制造、建筑、航空航天、海洋工程到日常生活的應(yīng)用有著不可或缺的作用。與常規(guī)熱固性膠黏劑相比，熱塑性彈性體因其良好的機(jī)械強(qiáng)度、韌性以及對粘附基材良好的自適應(yīng)性被廣泛用于膠接領(lǐng)域。然而，這些彈性體材料的一個(gè)主要問題即它們的本體力學(xué)性能在低溫下迅速衰減，同時(shí)伴隨著明顯的相分離甚至發(fā)生脆性斷裂，導(dǎo)致其在嚴(yán)苛的極冷環(huán)境下難以提供持久且強(qiáng)健的粘合力。有趣的是，蜘蛛絲可以在潮濕、冰凍環(huán)境中依靠粘附效能而輕松捕獲獵物，這與絲蛋白分子鏈的自組裝、多級微結(jié)構(gòu)的形成密切相關(guān)。因此，仿蜘蛛絲蛋白網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的分子設(shè)計(jì)策略為開發(fā)具有極端低溫耐受性、強(qiáng)韌的彈性體膠黏劑創(chuàng)造了新的條件。

圖1. 仿蜘蛛絲蛋白的聚酰胺彈性體的設(shè)計(jì)與合成

鑒于此，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)生物質(zhì)分子工程中心汪鐘凱教授團(tuán)隊(duì)基于長期對蜘蛛絲微結(jié)構(gòu)和性能調(diào)控的認(rèn)識(shí)，通過高效的聚酰胺分子設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在植物油基聚酰胺中高效構(gòu)筑具有多層級氫鍵網(wǎng)絡(luò)和β-折疊納米微晶結(jié)構(gòu)的仿蜘蛛絲蛋白彈性體，得到了一種新型耐極寒的超分子粘合劑（圖1），有效克服了彈性體在界面粘附力、延展性和耐低溫性之間的沖突。作為結(jié)構(gòu)膠黏劑應(yīng)用，表現(xiàn)出可靠的持久粘接性能，即使在液氮(-196 ℃)中，其剪切強(qiáng)度仍然可達(dá)17.4 MP，且維持極高的延展性（4052.4 N m^-1），同時(shí)具有出色的水下穩(wěn)定性以及重復(fù)粘接能力。基于醚/酰胺單元豐富的可逆氫鍵網(wǎng)絡(luò)（圖2）以及誘導(dǎo)形成結(jié)合水的潛在特性，確保了聚合物分子鏈段在極低溫環(huán)境下的受限運(yùn)動(dòng)，有效避免了粘接接頭發(fā)生應(yīng)力集中和脆性開裂。此外，較高比例的疏水長鏈脂肪酸骨架和可逆超分子氫鍵基元的協(xié)同合作，有利于獲得具有較高的水下粘附和良好的可重復(fù)使用性。更值得關(guān)注的是，體系中高密度的酰胺單元通過氫鍵聚集效應(yīng)誘導(dǎo)彈性體產(chǎn)生強(qiáng)烈的藍(lán)色熒光（圖3），使其有望滿足超低溫工況下對防偽識(shí)別、標(biāo)簽等的使用要求。該工作以“Natural-silk-inspired design provides ultra-tough biobased structural adhesives with supercold tolerance”為題發(fā)表在《Journal of Materials Chemistry A》上，文章通訊作者為安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)王鐘副教授，第一作者為博士研究生吳先坤。該研究得到國家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金的支持。

圖2 聚合物分子模型和超低溫下的本體力學(xué)、粘合性能

圖3 膠黏劑作為熒光標(biāo)簽的潛在應(yīng)用示例

該工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于植物油基功能高分子材料相關(guān)研究的最新進(jìn)展之一，拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、分子量、鏈纏結(jié)等因素對聚合物性能具有顯著影響。近年來，團(tuán)隊(duì)基于植物油高效轉(zhuǎn)化策略開發(fā)了系列功能型生物基基新材料，具體涵蓋了自愈合聚氨酯彈性體（Chem. Eng. J., 2021, 404, 127069）、高強(qiáng)韌聚酰胺彈性體（ACS Sustainable Chem. Eng., 2022, 10, 6775–6783）、水性環(huán)氧乳液膠黏劑（ACS Sustainable Chem. Eng., 2022, 10: 13301-13309）等，基于這些研究工作，系統(tǒng)探索了脂肪酸主/側(cè)鏈結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和結(jié)晶微結(jié)構(gòu)等因素對聚合物高性能、多功能化的影響機(jī)制。

原文鏈接：https://pubsrsc.53yu.com/en/content/articlelanding/2023/ta/d2ta08016h/unauth

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（責(zé)任編輯：xu）

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