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華南理工大學(xué)孫桃林教授團(tuán)隊(duì)《Macromolecules》:拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可調(diào)的梳狀聚合物粘合劑
2023-02-18  來源:高分子科技

  粘合劑作為一種具有強(qiáng)粘結(jié)作用的軟物質(zhì)材料,已被廣泛應(yīng)用于智能電子、新能源與醫(yī)療等領(lǐng)域,在日常生活和工藝生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用,F(xiàn)階段,強(qiáng)粘合劑的設(shè)計(jì)策略主要集中于納米級填充物(如粘土、纖維素納米晶體、聚合物接枝納米顆粒等)的添加以及化學(xué)或物理鍵的選擇。從分子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)尺度來調(diào)節(jié)聚合物鏈之間互穿或纏結(jié)等物理連接作用,是制備高性能粘合劑材料的一種潛在策略。


  近期,華南理工大學(xué)華南軟物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)高等研究院孫桃林教授團(tuán)隊(duì)利用ROMP合成了一系列梳狀聚合物PNB-g-(PEO-co-C6)。通過調(diào)節(jié)分子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)來增強(qiáng)梳狀聚合物側(cè)鏈之間的相互穿插作用,從而實(shí)現(xiàn)熔體的應(yīng)變硬化行為。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù),發(fā)現(xiàn)梳狀聚合物對玻璃、PET、木材以及金屬等基材具有較好的粘結(jié)性,其中對玻璃的粘結(jié)性最好,可達(dá)~ 3 kJ/m2。 


1 (a)梳狀聚合物由于側(cè)鏈的互穿作用而產(chǎn)生的強(qiáng)粘結(jié)劑;(b)梳狀聚合物PNB-g-(PEO-co-C6)的合成方法;(c)梳狀聚合物的構(gòu)象圖,以φ-1nsc表示。紅色和藍(lán)色部分分別對應(yīng)瓶刷區(qū)和梳狀區(qū),邊界線由臨界擁擠參數(shù)Φ*確定。實(shí)心符號為本文合成的梳狀聚合物。


  梳狀聚合物的結(jié)構(gòu)參數(shù)在其熔體的動態(tài)行為與性能中起著至關(guān)重要的作用。因此,了解其對線性流變行為的影響是控制聚合物熔體非線性粘附行為的前提。本文通過對梳狀聚合物的主鏈聚合度nbb、側(cè)鏈聚合度nsc以及側(cè)鏈摩爾含量fPEO三種結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)節(jié),系統(tǒng)分析了其對終端流動時間、小變形下的零剪切粘度以及大變形下的粘附能的影響。研究表明,側(cè)鏈較長、主鏈聚合度較高、側(cè)鏈接枝密度較小的梳狀聚合物具有較高的終端流動時間和零剪切粘度,從而有利于材料表現(xiàn)出應(yīng)變硬化行為和較高的粘附能。 


2結(jié)構(gòu)參數(shù)對梳狀聚合物粘彈性特性的影響。(a)聚合物nbb-22.7-0.5nbb變化的流變動態(tài)主曲線;(b)具有不同nsc四個系列聚合物零剪切粘度η0nbb的關(guān)系(c)聚合物250-nsc-0.5nbb變化的流變動態(tài)主曲線;(d)具有相似nbb的三個系列聚合物零剪切粘度η0nbb的關(guān)系(e)聚合物390-8-fPEOfPEO變化的流變動態(tài)主曲線;(f)具有相似nbb的三個系列聚合物零剪切粘度η0fPEO的關(guān)系 


脫粘速度為20 mm/s的粘結(jié)試驗(yàn),研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對梳狀聚合物粘附性能的影響。(a)不同nbbnbb-17-0.5樣品的應(yīng)力-伸長曲線。插圖顯示了脫過程中纖維狀結(jié)構(gòu)的形成;(b)具有不同nsc四個系列聚合物粘附Wadhnbb的關(guān)系;(c)不同nsc190-nsc-0.5樣品的應(yīng)力-伸長曲線;(d)具有相似nbb的三個系列聚合物粘附Wadhnsc依賴關(guān)系(e)不同fPEO170-12.5-fPEO樣品的應(yīng)力伸長率;(f)具有相似nbb的兩個系列聚合物粘附WadhfPEO的關(guān)系。


  進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),樣品的粘附能主要受其松弛動力學(xué)特性控制,而與其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)和微相分離程度無關(guān)。在不加任何填充物與化學(xué)鍵的前提下,梳狀聚合物的粘附能在時達(dá)到 ~3kJ/m2的粘接強(qiáng)度。該研究表明可以從分子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上來設(shè)計(jì)更強(qiáng)的粘合劑材料。

 

不同結(jié)構(gòu)參數(shù)梳狀聚合物在不同應(yīng)變速率(0.002~20 s-1)和不同溫度(5 , 10 ℃, 25 ℃, 40 ℃)下的粘附能與的關(guān)系,參考溫度為T0= 25 ℃。


  相關(guān)成果以“Topology and Dynamic Regulations of Comb-like Polymers as Strong Adhesives”為題發(fā)表在高分子專業(yè)期刊Macromolecules》上。華南理工大學(xué)博士研究生范志瑋為第一作者,華南理工大學(xué)華南軟物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)高等研究院孫桃林教授通訊作者。該工作得到國家自然科學(xué)基金和廣東省引進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。


  原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.2c01851

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