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林化所周永紅研究員、南昆大宋平安教授 AFM：通過鏈段設計構建機械堅固、本質阻燃、可熱切換、可降解的聚氨酯粘合劑

2024-09-06 來源：高分子科技

粘合劑通過化學和/或物理作用將不同的組分粘合成半成品或成品，在工業(yè)、汽車、建筑等領域被廣泛應用。近年來，具有優(yōu)良綜合性能（包括高粘合強度、高延展性、阻燃性、生物基、生物降解性和可重復使用）的下一代高性能粘合劑的需求不斷增加，這種性能組合已成為汽車、家具、建筑、電子和航空航天領域實際應用的主要目標。盡管目前已取得了一些進展，但由于缺乏合理的設計策略，目前市售和報道的粘合劑僅顯示上述一種或兩種性能，尚未實現(xiàn)優(yōu)異的性能組合，以滿足實際應用需求。

近日，中國林科院林化所周永紅研究員和澳大利亞南昆士蘭大學宋平安教授合作，以丙烯海松酸-DOPO衍生物作為硬段合成了一種新型生物基聚氨酯粘合劑PU-AD，實現(xiàn)了聚氨酯彈性體的堅固、高粘接、阻燃、可切換和可持續(xù)（如生物基，可重復使用，可生物降解）（圖1）。

圖1. 聚氨酯膠黏劑PU-AD的結構和表征

研究團隊通過丙烯海松酸和DOPO構建的擴鏈劑開發(fā)出一種高性能聚氨酯彈性體膠黏劑，該彈性體結構中的π–π相互作用不僅可以通過增加鏈間的內聚能來促進粘附，還可以通過物理交聯(lián)來改善膠粘劑的力學性能，此外它還具有阻燃性、生物可降解性和可重復利用性，其綜合性能要優(yōu)于其它膠黏劑（圖1）。

圖2. PU-AD的力學和粘合性能

由于丙烯海松酸的極性作用、聚氨酯分子間以及與基體之間的氫鍵和π–π堆積作用，所制備的聚氨酯膠粘劑的剝離強度高達38.8 N cm^-1（以PVC為基體），且可以支撐自身重量1000倍的重物。另外，對于其它極性基體也顯示出良好的粘接性能，如玻璃、木材、金屬等。由于該聚氨酯在乙醇中良好的溶解性，它可以很容易地重復使用，并且表現(xiàn)出溫度響應的可切換粘附而不發(fā)生粘附失效（圖2）。

圖3 PU-AD的阻燃性能

聚氨酯彈性體還顯示出優(yōu)異的阻燃性能，如在點燃后馬上自熄、燃燒速度變緩、燃燒滴落物減少，且可作為涂層粘附在基體表面，在被點燃時有效保護基體的完整性。出色的阻燃性能基于聚氨酯彈性體在固相和凝聚相中的雙相作用模式。一方面，丙烯海松酸和DOPO促使彈性體生成較高質量的殘?zhí)繌亩鳛槲锢砥琳嫌行Ц艚^熱量的傳遞；另一方面，DOPO在氣相中起到自由基捕捉和可燃氣體稀釋的作用（圖3）。

圖4. PU-AD的雙模式降解

聚氨酯彈性體的硬段結構中含有不穩(wěn)定的多級酯鍵，因此具有生物和化學雙降解模式，在脂肪酶水溶液或低濃度酸性溶液下可以完全降解，且化學降解速度更快（圖4）。

圖5. Cu/PU-AD的散熱性

聚氨酯彈性體作為銅粉粘合劑制備的銅膜涂覆于電腦CPU表面顯示出比商業(yè)散熱硅脂更高的散熱效率，在CPU過載運行120秒后能夠使CPU表面溫度有效降低30 °C。此外，由于聚氨酯彈性體在乙醇中良好的溶解性，使用后的銅膜可以通過在乙醇中超聲回收彈性體，從而減少塑料浪費和微塑料污染（圖5）。這項工作為制備具有循環(huán)生命周期和功能集成的下一代可持續(xù)高性能粘合劑提供了一種新的設計方法，并有望在電子領域實現(xiàn)廣泛應用。

以上研究成果近期以“Engineered functional segments enabled mechanically robust, intrinsically fire-retardant, switchable, degradable polyurethane adhesives”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》期刊，中國林科院林化所博士后薛逸嬌為文章第一作者，中國林科院林化所周永紅研究員和澳大利亞南昆士蘭大學宋平安教授為論文的共同通訊作者。該研究工作得到國家自然科學基金、中國博士后面上和特別資助等科研項目的資助。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202409139

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（責任編輯：xu）

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