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中山大學付俊教授課題組 Chem. Eng. J.:基于超分子相互作用水下膠粘劑
2023-12-19  來源:高分子科技

  水下粘合劑在醫療、海洋及化工工業等領域具有廣泛的應用前景。水下粘合可用于管道的修補,氣液防泄漏等方面。常見的劑在干燥條件下表現出即時、可逆和原位粘附行。然而,由于基底界面處有高水合層的屏蔽,使得粘合劑附著力較弱,容易從濕基底表面脫落因此,開發一種在潮濕甚至水下環境中具有強效、非特異性和可逆粘附性的粘合材料仍然具有挑戰性。


  中山大學材料科學與工程學院付俊教授團隊報道了一種高性能的水下粘合劑(CAH),在其中構建微相分離的疏水微區,在界面處排水,以利于在界面處形成氫鍵、靜電、配位及陽離子相互作用促進水下粘附粘合劑由疏水丙烯酸己酯C6和苯乙烯St),親水性丙烯酸AAc)以及功能化的金剛烷與β-環糊精的主客體組裝體共聚而成(圖1),其中主客體組裝體作為交聯劑,可提高粘合劑的力學性能。疏水C6St共聚物鏈段與親水鏈段分離,聚集形成疏水區,在粘合劑-基底界面,疏水微區發揮界面排水作用,從而在基底材料表面建立非共價相互作用的水微環境1d基于此原理,粘合劑能很強地粘附在玻璃、銅、塑料材、骨等多種基材表面,且界面粘附強度不受酸、堿、PBS溶液影響 


粘合劑的制備及在水下粘附機理


  CAH在空氣和水下對不同的基底均展現出強的粘附性能(圖2a如,粘合劑CA對塑料、木板、銅板及玻璃的粘附強度約為95~ 115 kPa左右,而對硅橡膠與豬皮的粘附強度分別約為43.36~64.5023.05~36.04 kPa(圖2b)。粘合劑在水下對各種基材具有高的粘附強度,主要是由于表面豐富的疏水微區可以打破粘合劑和基底之間的水化層,從而促進CAH與基底之間的非共價相互作用親水鏈可與玻璃上的羥基形成氫鍵,與木材形成氫鍵與π-π,與銅板形成陽離子與配位,與塑料形成靜電和偶極子等CAH涂覆在PET薄膜上,制作單面膠帶可用于液體防漏,例如,在裝滿水的聚乙烯桶底部附近鉆一個直徑約0.5厘米的小孔,水不斷的從小孔漏出,將CAH膠帶直接粘貼在漏水孔上,漏水立即停止。2c同時CAH膠帶也用于密封泄漏的硅膠軟管,密封時間至少2.5 h2d)。 


2a, bCAH與各種基材的粘附強度及照片;(c)基于PET膜的CAH膠帶密封泄漏聚乙烯;(dCAH膠帶密封漏水的水管。


  CAH在水下可以直接粘附底表面CAH在玻璃表面的附著力足以承受至少27秒的水沖刷(3a),其附著力不受水化層的干擾,可能是由于在界面處存在疏水微區。CAH可以在水下直接粘在貽貝表面(3b)。疏水微區的存在可以抵抗溶液的入侵CAH不同環境(水、HClpH = 2NaOHpH = 10PBS溶液飽和NaCl溶液對玻璃的粘附強度分別約為115.71 kPa101.57 kPa94.84 kPa91.11 kPa98.46 kPa103.30 kPa3c, d可見粘附強度不受環境變化的影響,因為界面處的疏水微可以抵抗環境的干擾通過循環粘接-剝離試驗研究了粘附的可逆性,經10次循環CAH對玻璃的粘附強度依然保持穩定(88.24 ~ 106.19 kPa)(3e 


3a)玻璃表面CAH水爆破圖;(bCAH水下提升貽貝和c小瓶的圖;(d不同溶液中CAH玻璃的粘附強度;(e10粘接-剝離循環下CAH玻璃的粘接強度變化


  CAH對骨頭具有很強的粘附性,在治療骨缺損方面具有應用潛力研究發現,CAH能粘接牛骨缺損(4a),在空氣中,CAH對牛骨的粘接強度約為112.58 kPa4e),能承受整個牛骨的重量2.86 kg)(4c),抵抗105.5 N的拉力(4d。將粘附的牛骨浸水中10分鐘后4b粘接的牛骨仍然保持其原始形狀,未見脫離的跡象,且粘附強度約為91.51 kPa4e 


4ab)在空氣和水下CAH牛骨的粘接;(c在空氣中提起牛骨(2.86 kg)圖;(d)粘接后牛骨的極限分離;(e)在空氣和水下CAH對牛骨的粘附強度。


  該研究開發了一種基于超分子相互作用的新型水下粘合劑CAH通過在水中誘導疏水聚集,巧妙實現在水下對基材的粘附行為。值得注意的是這種利用超分子相互作用的策略將為水下粘合劑的發展提供契機


  該工作以Reversible, Ultra-strong Underwater Adhesive Based on Supramolecular Interaction for Instant Liquid Leakage Sealing and Robust Tissue Adhesion為題發表在Chem. Eng. J.上。文章第一作者是中山大學材料科學與工程學院2020級博士楊海龍付俊教授為通訊作者 該工作得到了國家自然科學基金(22375225, 51873224)和中山大學研究生教育基金(29000-11230011的支持。


  原文鏈接https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894723067967


付俊教授簡介

  中科院“百人計劃”、中山大學“百人計劃”、浙江省杰出青年基金入選者。Wiley出版社J Polym Sci編輯,英國皇家學會學術期刊J Mater Chem BMaterials Advances編委。博士畢業于中國科學院長春應用化學研究所高分子物理與化學國家重點實驗室。先后在德國馬普高分子研究所美國哈佛醫學院附屬麻省總醫院、中科院寧波材料所工作2019年加入中山大學材料科學與工程學院,任教授,博導。主要從事高性能與智能仿生柔性材料、柔性傳感與可穿戴設備、水凝膠組織工程材料、生物3D打印等方面的基礎研究與應用技術開發


  相關成果已在Adv Mater, Adv Funct Mater, Chem Eng J, Mater Horiz, Chem Mater等高水平期刊發表論文140多篇,出版英文專著1部,全部論文累計被引用8900余次,H指數51,授權美國發明專利1項,中國發明專利40多項。獲第十七屆馮新德高分子獎最佳文章提名獎,英國皇家化學會2020Materials Horizons Outstanding Paper-Runners-up Award等獎項。


  團隊常年招聘高分子、生物材料、水凝膠、柔性傳感、柔性驅動等方向的副教授、助理教授、研究助理教授、研究副教授、博士后等。歡迎青年學子報考本團隊碩士、博士研究生。課題組主頁:

  https://mse.sysu.edu.cn/teacher/98

  http://www.jrdgc.com/ss/fujun/index.html

  https://scholar.google.com/citations?hl=zh-CN&user=_G1QhgEAAAAJ&view_op=list_works&sortby=pubdate

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