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安農(nóng)大汪鐘凱教授、王鐘副教授團隊 JMCA：超低溫下服役的高強、超韌性生物基膠黏劑
2023-03-09  來源：高分子科技

  高耐候型膠黏劑對于從工業(yè)制造、建筑、航空航天、海洋工程到日常生活的應用有著不可或缺的作用。與常規(guī)熱固性膠黏劑相比，熱塑性彈性體因其良好的機械強度、韌性以及對粘附基材良好的自適應性被廣泛用于膠接領(lǐng)域。然而，這些彈性體材料的一個主要問題即它們的本體力學性能在低溫下迅速衰減，同時伴隨著明顯的相分離甚至發(fā)生脆性斷裂，導致其在嚴苛的極冷環(huán)境下難以提供持久且強健的粘合力。有趣的是，蜘蛛絲可以在潮濕、冰凍環(huán)境中依靠粘附效能而輕松捕獲獵物，這與絲蛋白分子鏈的自組裝、多級微結(jié)構(gòu)的形成密切相關(guān)。因此，仿蜘蛛絲蛋白網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的分子設(shè)計策略為開發(fā)具有極端低溫耐受性、強韌的彈性體膠黏劑創(chuàng)造了新的條件。



圖1. 仿蜘蛛絲蛋白的聚酰胺彈性體的設(shè)計與合成


  鑒于此，安徽農(nóng)業(yè)大學生物質(zhì)分子工程中心汪鐘凱教授團隊基于長期對蜘蛛絲微結(jié)構(gòu)和性能調(diào)控的認識，通過高效的聚酰胺分子設(shè)計實現(xiàn)了在植物油基聚酰胺中高效構(gòu)筑具有多層級氫鍵網(wǎng)絡(luò)和β-折疊納米微晶結(jié)構(gòu)的仿蜘蛛絲蛋白彈性體，得到了一種新型耐極寒的超分子粘合劑（圖1），有效克服了彈性體在界面粘附力、延展性和耐低溫性之間的沖突。作為結(jié)構(gòu)膠黏劑應用，表現(xiàn)出可靠的持久粘接性能，即使在液氮(-196 ℃)中，其剪切強度仍然可達17.4 MP，且維持極高的延展性（4052.4 N m-1），同時具有出色的水下穩(wěn)定性以及重復粘接能力；诿/酰胺單元豐富的可逆氫鍵網(wǎng)絡(luò)（圖2）以及誘導形成結(jié)合水的潛在特性，確保了聚合物分子鏈段在極低溫環(huán)境下的受限運動，有效避免了粘接接頭發(fā)生應力集中和脆性開裂。此外，較高比例的疏水長鏈脂肪酸骨架和可逆超分子氫鍵基元的協(xié)同合作，有利于獲得具有較高的水下粘附和良好的可重復使用性。更值得關(guān)注的是，體系中高密度的酰胺單元通過氫鍵聚集效應誘導彈性體產(chǎn)生強烈的藍色熒光（圖3），使其有望滿足超低溫工況下對防偽識別、標簽等的使用要求。該工作以“Natural-silk-inspired design provides ultra-tough biobased structural adhesives with supercold tolerance”為題發(fā)表在《Journal of Materials Chemistry A》上，文章通訊作者為安徽農(nóng)業(yè)大學王鐘副教授，第一作者為博士研究生吳先坤。該研究得到國家自然科學基金、安徽省自然科學基金的支持。 


圖2 聚合物分子模型和超低溫下的本體力學、粘合性能 


圖3 膠黏劑作為熒光標簽的潛在應用示例


  該工作是團隊近期關(guān)于植物油基功能高分子材料相關(guān)研究的最新進展之一，拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、分子量、鏈纏結(jié)等因素對聚合物性能具有顯著影響。近年來，團隊基于植物油高效轉(zhuǎn)化策略開發(fā)了系列功能型生物基基新材料，具體涵蓋了自愈合聚氨酯彈性體（Chem. Eng. J., 2021, 404, 127069）、高強韌聚酰胺彈性體（ACS Sustainable Chem. Eng., 2022, 10, 6775–6783）、水性環(huán)氧乳液膠黏劑（ACS Sustainable Chem. Eng., 2022, 10: 13301-13309）等，基于這些研究工作，系統(tǒng)探索了脂肪酸主/側(cè)鏈結(jié)構(gòu)、動態(tài)化學交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和結(jié)晶微結(jié)構(gòu)等因素對聚合物高性能、多功能化的影響機制。


  原文鏈接：https://pubsrsc.53yu.com/en/content/articlelanding/2023/ta/d2ta08016h/unauth

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（責任編輯：xu）
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