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港中深張祺/長春應化所段曉征 AFM：原位相分離構筑超強離子凝膠膠粘劑

2024-12-21 來源：高分子科技

近日，香港中文大學（深圳）張祺副教授研究團隊與中國科學院長春應用化學研究所段曉征研究員團隊在新型離子凝膠膠粘劑領域取得新進展，相關成果以“Ultra-strong Ionogel Adhesives via in situ Microphase Separation”為題，發表在Advanced Functional Materials。文章通訊作者為香港中文大學（深圳）張祺和中國科學院長春應用化學研究所段曉征。

膠粘劑在日常生活和工業生產中扮演著重要角色，廣泛應用于建筑工業、深海探險、航空航天、機器人、可穿戴設備、醫療等領域。離子凝膠作為一種特殊的膠粘劑，具有優異的熱、化學穩定性、非揮發性、導電性能，近年來備受關注。此類膠粘劑含有大量的帶電體，可以在內部結構以及界面上形成豐富的非共價相互作用，實現優異的粘附性能；然而，離子液體的塑化作用通常會限制離子凝膠的力學性能和粘附效果，因此，目前其粘附性能鮮有超越10MPa。突破傳統設計思路和粘附機制的局限，發展具有更高性能的離子凝膠粘材料，具有重要意義。

近日，香港中文大學（深圳）張祺副教授和中國科學院長春應用化學研究所段曉征研究員等人提出了一種利用微相分離結構顯著提高粘附性能的超強離子凝膠膠粘劑創制策略。該離子凝膠材料通過簡單的一步光固化方法，將溶于離子液體1-乙基-3-甲基咪唑鎓雙（三氟甲基磺酰基）酰亞胺（EMITFSI）中的兩種單體甲基丙烯酸甲酯（MMA）和丙烯酸（AA）進行原位共聚制得。在粘附過程中，PMMA鏈段和PAA鏈段與EMITFSI的相容性存在巨大差異，通過精確調節體系中的單體比例以及離子液體含量，該離子凝膠材料可實現微相分離結構。這種微相分離結構通過提升能量耗散能力來實現本體內聚能的增強，同時通過界面處的組分自組裝，實現界面粘附能的提升，進而平衡內聚能與界面粘附能，最終實現離子凝膠粘附能力的顯著提升（圖1）。

圖1. 微相分離離子凝膠膠粘劑的結構與粘附性能示意圖

研究表明，相分離結構可以有效增強離子凝膠的粘附性能，并具有基材普適性。且對比已報道的離子凝膠膠粘劑，展現出其他膠水型離子凝膠兩倍以上、膠帶型離子凝膠十五倍以上的粘附性能（圖2）。

圖2. 離子凝膠膠粘劑的粘附性能測試結果

通過調節單體的比例，離子凝膠歷經從均相（透明）到微觀相分離（半透明）再到宏觀相分離（不透明）的轉變。當調整到適當比例時，離子凝膠實現微相分離結構，此時，其拉伸強度和粘附力同時達到最高值（圖3）。

圖3. 離子凝膠相分離和性能表征

進一步，利用SEM證實了界面上同樣存在相分離結構，并利用粗粒化分子動力學模擬從分子層面研究了相結構對界面黏附作用的影響。結果表明，微相分離可以通過調整界面上形貌結構，使更多AA與基材相接觸，從而形成更多的以氫鍵為主導的強相互作用，最終實現界面黏附能的增強。研究結果證實了微相分離結構對界面粘附力增強作用的貢獻。

圖4. 界面相分離及粘附能的分子動力學模擬

本研究通過引入微相分離結構，提高本體能量耗散能力并對界面相互作用進行重排，實現了離子凝膠本體內聚能和界面黏附能的同時提升，進而在多種基材上實現超強的粘附性能。這種新穎的粘附增強策略為新型膠粘劑材料的發展提供全新的思路與見解。

該研究成果“Ultra-strong Ionogel Adhesives via in situ Microphase Separation”近期發表在Advanced Functional Materials（DOI：10.1002/adfm.202417011），香港中文大學（深圳）理工學院碩士畢業生黃仰宇同學和西安交通大學化學學院明小慶研究員為論文共同第一作者，通訊作者為香港中文大學（深圳）理工學院張祺副教授和中科院長春應用化學研究所段曉征研究員。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202417011

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（責任編輯：xu）

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