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東華大學武培怡/劉凱團隊 Angew：小分子離子液體自組裝構筑高性能粘附材料

2024-04-17 來源：高分子科技

小分子通過超分子自組裝策略可以構筑結構復雜和功能獨特的超分子聚合物材料，這在生命體內和自然界中都較為常見。非共價相互作用賦予了超分子聚合物材料一定的動態特征，例如自修復性能、形狀記憶性、可回收性和可降解性等。其中，對于超分子粘合劑而言，在外部響應的刺激下可實現可逆粘合，進一步可充分發揮其可回收性和可持續性。因此，超分子粘附材料在電子、醫療外科、封裝等領域具有重要的前景。此外，低分子量的超分子粘附材料相較于傳統的聚合物粘附材料而言，具備更優異的浸潤性，有利于在不同材料的表面鋪展。然而，超低分子量的超分子粘附材料在高強度方面仍然面臨著很大的挑戰。

小分子的離子液體(ILs)由于其豐富的陽離子和陰離子組合，并且其內部可以含有豐富的弱相互作用。尤其是咪唑類的ILs，可以同時含有范德華力、氫鍵、偶極相互作用、靜電相互作用、π–π相互作用、疏水相互作用等。基于ILs這些豐富的相互作用，可以構筑新穎的粘附材料。目前，大多數關于離子液體粘合劑的研究主要是通過共聚可聚合的ILs或者將ILs加入到聚合物基質中構筑離子凝膠進行的。

近日，東華大學劉凱博士將尾端含有羥基的ILs通過4-(三氟甲基)異氰酸苯酯一步尾端改性即可構筑高性能的粘合劑。這一設計策略的核心包括兩點：一是通過高熔點改性劑提升ILs的熔點；二是進一步豐富ILs內部的弱相互作用（圖一）。基于此，一方面可以通過提升熔點和豐富弱相互作用改善離子液體的內聚能，另一方面豐富的弱相互作用也可以很大程度上提升界面能，進而賦予小分子ILs平衡的內聚能和界面能。基于這一超分子改性策略，小分子離子液體的粘附性能最高可達8.95 MPa。

圖一. 設計策略和粘附過程

首先，作者通過調控分子結構獲得了性能優異的粘合劑P2，其熔點和玻璃化轉變溫度都較低，且室溫下為無定形態（圖二）。因而，P2在略高于室溫（如55℃）即可轉換為液體，冷卻后又可以通過自組裝形成具有較高粘附性能的超分子聚集體。基于其溫度敏感性，在使用過程中，通過吹風機熱風吹15 s后P2即可使用，且無需熱壓即可完成粘附過程。P2在不同基底上都有較好的浸潤性和粘附強力，同時也展現了優異的循環使用性能。與其它低分子量粘合劑相比，P2可同時具備低分子量和高粘附強力（圖三）。

圖二. 熱機械性能和粘附性能

其次，作者探討了該粘附材料的低溫粘附性能。由于P2較低的玻璃化轉變溫度和良好的浸潤性能，其在低溫甚至超低溫下具有優異的粘附性能。例如，兩個氧化鋁陶瓷基底通過P2粘附后，浸漬在液氮中超過24 h，不會出現兩個基底自動分離的情況并且仍然可以提起重物。但是，P2對于超低溫性能的基底有一定的選擇性，主要是對氧化鋁和鋁等基材有超低溫粘附性能。

圖三.循環使用性能、性能比較和低溫性能

最后，作者通過低場核磁和差示掃描量熱儀(DSC)探究了P2液固轉變的過程，實驗結果表明，其液固轉變過程中伴隨著自組裝過程，宏觀上也會影響粘附強度。進一步，對比試驗和核磁滴定實驗等也證實了咪唑端的雙鍵也參與到首尾相連接的自組裝過程，有利于形成更穩定的自組裝超分子聚集體（即有利于提升內聚能），改善內聚能和界面能的平衡，從而很大程度上提升了小分子離子液體的粘附性能。

圖四. 分子機制探究

以上研究成果近期以“Small Ionic-Liquid-Based Molecule Drives Strong Adhesives”為題，發表在《Angewandte Chemie International Edition》上。東華大學化學與化工學院劉凱博士為文章第一作者和共同通訊作者，武培怡教授為論文的通訊作者。

該研究工作得到了國家自然科學基金、上海市“啟明星培育（揚帆專項）”、中國博士后科學基金和中央高校基本科研業務費專項資金等基金項目的支持。東華大學劉艷軍博士和本科生譚亦婷分別在低場核磁和粘附力測試方面提供了幫助。

全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202403220

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（責任編輯：xu）

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