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港中深張祺/長(zhǎng)春應(yīng)化所段曉征 AFM：原位相分離構(gòu)筑超強(qiáng)離子凝膠膠粘劑
2024-12-21  來(lái)源：高分子科技

  近日，香港中文大學(xué)（深圳）張祺副教授研究團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所段曉征研究員團(tuán)隊(duì)在新型離子凝膠膠粘劑領(lǐng)域取得新進(jìn)展，相關(guān)成果以“Ultra-strong Ionogel Adhesives via in situ Microphase Separation”為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials。文章通訊作者為香港中文大學(xué)（深圳）張祺和中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所段曉征。


  膠粘劑在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中扮演著重要角色，廣泛應(yīng)用于建筑工業(yè)、深海探險(xiǎn)、航空航天、機(jī)器人、可穿戴設(shè)備、醫(yī)療等領(lǐng)域。離子凝膠作為一種特殊的膠粘劑，具有優(yōu)異的熱、化學(xué)穩(wěn)定性、非揮發(fā)性、導(dǎo)電性能，近年來(lái)備受關(guān)注。此類膠粘劑含有大量的帶電體，可以在內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及界面上形成豐富的非共價(jià)相互作用，實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的粘附性能；然而，離子液體的塑化作用通常會(huì)限制離子凝膠的力學(xué)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(tǒng)設(shè)計(jì)思路和粘附機(jī)制的局限，發(fā)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(xué)（深圳）張祺副教授和中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所段曉征研究員等人提出了一種利用微相分離結(jié)構(gòu)顯著提高粘附性能的超強(qiáng)離子凝膠膠粘劑創(chuàng)制策略。該離子凝膠材料通過(guò)簡(jiǎn)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；啺罚‥MITFSI）中的兩種單體甲基丙烯酸甲酯（MMA）和丙烯酸（AA）進(jìn)行原位共聚制得。在粘附過(guò)程中，PMMA鏈段和PAA鏈段與EMITFSI的相容性存在巨大差異，通過(guò)精確調(diào)節(jié)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(shí)現(xiàn)微相分離結(jié)構(gòu)。這種微相分離結(jié)構(gòu)通過(guò)提升能量耗散能力來(lái)實(shí)現(xiàn)本體內(nèi)聚能的增強(qiáng)，同時(shí)通過(guò)界面處的組分自組裝，實(shí)現(xiàn)界面粘附能的提升，進(jìn)而平衡內(nèi)聚能與界面粘附能，最終實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)與粘附性能示意圖


  研究表明，相分離結(jié)構(gòu)可以有效增強(qiáng)離子凝膠的粘附性能，并具有基材普適性。且對(duì)比已報(bào)道的離子凝膠膠粘劑，展現(xiàn)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(cè)試結(jié)果


  通過(guò)調(diào)節(jié)單體的比例，離子凝膠歷經(jīng)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(zhuǎn)變。當(dāng)調(diào)整到適當(dāng)比例時(shí)，離子凝膠實(shí)現(xiàn)微相分離結(jié)構(gòu)，此時(shí)，其拉伸強(qiáng)度和粘附力同時(shí)達(dá)到最高值（圖3）。


圖3. 離子凝膠相分離和性能表征


  進(jìn)一步，利用SEM證實(shí)了界面上同樣存在相分離結(jié)構(gòu)，并利用粗粒化分子動(dòng)力學(xué)模擬從分子層面研究了相結(jié)構(gòu)對(duì)界面黏附作用的影響。結(jié)果表明，微相分離可以通過(guò)調(diào)整界面上形貌結(jié)構(gòu)，使更多AA與基材相接觸，從而形成更多的以氫鍵為主導(dǎo)的強(qiáng)相互作用，最終實(shí)現(xiàn)界面黏附能的增強(qiáng)。研究結(jié)果證實(shí)了微相分離結(jié)構(gòu)對(duì)界面粘附力增強(qiáng)作用的貢獻(xiàn)。


圖4. 界面相分離及粘附能的分子動(dòng)力學(xué)模擬


  本研究通過(guò)引入微相分離結(jié)構(gòu)，提高本體能量耗散能力并對(duì)界面相互作用進(jìn)行重排，實(shí)現(xiàn)了離子凝膠本體內(nèi)聚能和界面黏附能的同時(shí)提升，進(jìn)而在多種基材上實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)的粘附性能。這種新穎的粘附增強(qiáng)策略為新型膠粘劑材料的發(fā)展提供全新的思路與見(jiàn)解。


  該研究成果“Ultra-strong Ionogel Adhesives via in situ Microphase Separation”近期發(fā)表在Advanced Functional Materials（DOI：10.1002/adfm.202417011），香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院碩士畢業(yè)生黃仰宇同學(xué)和西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)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(xué)（深圳）理工學(xué)院張祺副教授和中科院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)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(zé)任編輯：xu）
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