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北化曹鵬飛教授 Mater. Horiz.：外力觸發超強粘附力的自修復彈性體

2023-12-09 來源：高分子科技

彈性體在許多未來的先進技術中起著至關重要的作用，在這些技術中，彈性體的粘合性能決定了材料的界面性能。盡管在改善彈性體的粘合性能方面取得了巨大成功，但永久性粘合劑因為安裝方法的不同往往會過早地粘附在表面上或導致接觸不良。然而，基于紫外光或熱的按需觸發需要對應的外部資源，并往往局限于此。因此，具有不限于用UV光或熱觸發的按需粘附的彈性體為常規粘合彈性體中的各種應用挑戰提供了解決方案。

近日，北京化工大學曹鵬飛教授團隊在Materials Horizons期刊上發表了最新論文” Ductile Adhesive Elastomers with Force-Triggered Ultra-High Adhesion Strength”。該論文作者報告了一種新型的即用型、超高強度、可延展粘合彈性體，并且其按需粘附性能可以很容易地通過外力觸發。由微囊分離的雙組分體系在觸發并固化后，粘合彈性體的剝離強度和搭接剪切強度分別達到了1.2×10⁴ N/m和7.8×10³kPa，超過了已知的先進粘合彈性體材料。該超高粘附力歸因于前驅體對粘附表面的良好接觸以及通過兩相設計增強的固化彈性體的高彈性模量。該按需粘附可以在安裝和固化之間實現可控的延遲，使其發生在各自的理想條件下，從而有效地降低能源成本、防止故障并改善操控性。

圖1. 粘合彈性體的設計及應用策略

1. 粘合彈性體的合成以及調整觸發力

基于對固化速率，彈性體機械性能以及可擴大生產的考慮，團隊采用了二苯基甲烷二異氰酸酯預聚物(MDI-prepolymer)，和聚丙二醇二胺(PPG-diamine)以及甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸丁酯-丙烯酸乙基己酯無規共聚物聚（Poly MMA-r-BA-r-EHA）作為前驅體，并對MDI-prepolymer進行了微囊封裝以實現可外力觸發的粘附功能（圖1）。FT-IR和DSC表征了微囊殼層的化學特征結構以及微囊內部仍具反應活性的MDI-prepolymer（圖2A）。微囊尺寸可通過改變分散聚合法的攪拌速度和反應時間來進行控制，在200-1000 RPM 之間，團隊獲得了10-900 微米不等的微囊（圖2B）。這種可控的尺寸將影響1）破壞微膠囊并引發固化反應所需的力以及2）釋放的反應劑在聚合物基質中的分散。基于對不同壓力下微囊的破裂狀態和固化所得的粘附力進行篩選，在300 RPM下合成的微囊需要500 N的壓縮力（作用于10cm²模具）。團隊觀察到，在500 N下，剝離強度顯著增加（500%）。而在200-RPM下合成的微囊只需要較小的觸發力（150 N）卻展現相對較差的粘附性能。另一方面，Poly MMA-r-BA-r-EHA，作為聚合物基體，提高了彈性體在力觸發固化之前的界面粘附性能以及使用壽命。

圖2和3. 微囊和聚合物基質的結構及性能表征（左圖2，右圖3）

2. 粘合彈性體的機械和粘彈性能

機械性能方面，固化后的粘合彈性體其最大拉伸應力和斷裂伸長率分別可達 1.75 MPa和223%。然后團隊使用 DMA 溫度掃描進一步研究了其粘彈性。相角結果清楚表明，由于固化的延性聚脲彈性體網絡的失透，在 -25 °C 到 0 °C 之間，彈性體的聚脲網絡發生了玻璃化轉變，并且這相對較低的T_g是由于其聚醚鏈基體分子量較高導致的，從而避免了過高的剛性。從 0 到 75 °C，彈性體展現出隨溫度變化的彈性區域，其中特征彈性模量約為 40 MPa。該彈性模量比常規的高分子橡膠態模量至少高 10 倍，并增強了粘合彈性體的內聚力。其可能是由相分離的高度交聯的微囊殼引起的機械強化，而相角譜中110℃處的高溫轉變峰表明了該相分離的存在，并且該溫度與微囊殼的T_g一致。

圖4. 固化彈性體的粘附性能表征

3. 粘合彈性體的應用

已知的研究以及商業產品技術手冊已經充分闡述了濕氣或光觸發很容易受到環境濕度或光的干擾。而機械力觸發既不易受環境條件干擾又易于用戶操作。但同樣機械力觸發的壓敏膠與粘合彈性體有著本質的不同。前者不發生化學變化產生粘附，而是通過粘彈特征的變化粘附在表面。此外，壓敏膠的厚度限制了其在粗糙表面上的表現。相反，粘合彈性體的力觸發策略涉及了化學固化過程，其大幅度提高了粘附所需的內聚力。此外，前驅體可以實現不同的厚度以及柔軟性并有助于適應各種表面條件。團隊使用了符合ASTM C794和C961標準的測試方法來研究粘合彈性體的粘附力（圖4 A和B）。在室溫下固化后，鋁和木材基材的剝離強度（拉伸速率為50 mm/min）分別為1.2×10⁴ N/m和7.5×10^3 N/m。鋁和木材基材的搭接剪切強度（拉伸速率為12.7 mm/min）分別為2.1×10³和7.8×10³ kPa。該結果超過了已知的先進粘合彈性體材料（圖5）。這種超高的粘附力可以解釋為以下兩個原因。首先，彈性模量比常規橡膠高至少10倍，提供了增強的內聚力。其次，前驅體在安裝時呈現類液態的狀態，允許其很好地接觸并潤濕界面。這種按需粘接的特性對于預制件施工具有很大的潛力，因為前驅體可以在觸發固化之前非常容易地預裝在模塊接頭上，從而有效地降低勞動力和能源成本，并減輕運輸和安裝過程中的損壞。為了證明潛在的應用價值，團隊將前驅體安裝在一種預制溝槽接頭（圖6A），其固化后的彈性體可以承受4桶水的重量，大約80公斤（圖6B）。

圖5. 目前報道的先進延展性粘合劑彈性體的粘合性能總結

圖6. 粘合彈性體的超強粘附力以及應用實例。

該論文作者報導了一種新穎的粘合彈性體設計，其超強粘附力可以便捷地通過外力觸發。據報導，該粘合彈性體的剝離粘附強度和剪切粘附強度分別達到了1.2×10⁴ N/m和7.8×10³ kPa，均超過了已知的先進粘合彈性體材料。該材料設計利用了微囊分離技術以實現雙組分聚脲彈性體的可控固化，并利用自修復高分子增強了前驅體的粘附性能和使用壽命。因此，微囊外殼對彈性體的彈性模量進行了機械強化，達到了比常規橡膠高至少10倍的模量，并提供了增強的內聚力。其次，前驅體在安裝時呈現類液態的狀態，允許其很好地接觸并潤濕界面。除此之外，其觸發力的可控性也可通過調節微囊的分散合成條件來實現。這種按需粘附的特性十分利于降低勞動力和能源成本，并減輕運輸和安裝過程中的損壞。為了證明潛在的應用價值，作者展示了一種安裝了其前驅體的預制溝槽接頭（圖6A），其觸發固化后可以承受4桶飲用水的重量。該研究闡明了按需觸發粘附對先進彈性體材料的重要性，并展示了其遠優于常規壓敏膠或粘合彈性體的粘附性能。
橡樹嶺國家實驗室趙驍博士為論文第一作者，北京化工大學曹鵬飛教授以及橡樹嶺國家實驗室Saito和Hun博士為論文共同通訊作者。

原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D3MH01280H

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（責任編輯：xu）

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