粘合劑在日常生活中十分常見,尤其是以502膠水為代表的高分子粘合劑已經(jīng)成為生活生產(chǎn)中難以取代的一類重要輔助材料。一般來說,傳統(tǒng)粘合劑只能用于干燥環(huán)境下的基材粘接,而在潮濕或水下環(huán)境中非常容易粘合失效。當(dāng)水分子進(jìn)入粘合界面并形成水膜時,粘合劑與基材之間的直接接觸被嚴(yán)重限制,造成粘合劑的表面能降低,進(jìn)而導(dǎo)致粘合劑與基材之間粘接強(qiáng)度明顯降低或完全不能粘接??紤]到生物工程、海洋工程和醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域應(yīng)用的強(qiáng)烈需求,開發(fā)水下強(qiáng)粘合材料一直是研究熱點(diǎn)。

目前,盡管以兒茶酚基團(tuán)為主要結(jié)構(gòu)的水下粘合劑的開發(fā)已經(jīng)取得了進(jìn)展,然而仍存在許多關(guān)鍵性挑戰(zhàn)亟待研究和解決。這類粘合劑的粘合過程往往要求特定的配合比設(shè)計和反應(yīng)環(huán)境,而且粘合效果容易因環(huán)境的氧化介質(zhì)作用而劣化,大大限制了其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院在Materials Horizons發(fā)表了題為“Hydrogel networks asunderwater contact adhesives for different surfaces”的研究論文,馮攀博士和葉少雄博士研究生為共同第一作者,劉加平教授,孫正明教授和章煒副教授為共同通訊作者。

這項工作介紹了一種可以在水下穩(wěn)健粘合多種基材的納米晶增強(qiáng)水凝膠復(fù)合材料,具有制備工藝簡單、粘接強(qiáng)度在服役過程中不斷強(qiáng)化的特點(diǎn)。在這項工作中,選用聚丙酰胺水凝膠作為水下粘合劑的基底,利用水泥礦物水化消耗水和產(chǎn)生納米晶的特點(diǎn)來強(qiáng)化水凝膠和保障水下強(qiáng)粘合。

圖文導(dǎo)讀

水凝膠復(fù)合材料的制備和基材粘合十分簡單便捷,可以概括為將原材料配制成均勻漿體并在在水下環(huán)境原位澆筑于基材表面后,界面存在的水層在交聯(lián)過程中會因基材間水凝膠的吸收和膨脹擠出而消失,而且水泥礦物水化快速消耗水和產(chǎn)生納米晶體,加速了水凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成和強(qiáng)化,從而實(shí)現(xiàn)粘合材料與基材表面的牢靠穩(wěn)健粘合。

東南大學(xué)劉加平/孫正明/章煒《Mater.Horiz.》:水泥攪拌水凝膠,解鎖水下粘附新技能
Fig. 1 納米晶增強(qiáng)水凝膠材料的開發(fā)及與基材粘合過程。

這項工作中使用的聚丙烯酰胺水凝膠是一類具有多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高分子材料(Fig. 2c),水泥礦物水化產(chǎn)生的大量晶體(Fig. 2a)使得水凝膠復(fù)合材料的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(Fig. 2b)和力學(xué)性能(Fig. 2e-f)都得到了明顯強(qiáng)化。

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Fig. 2水凝膠復(fù)合材料的(a)鈣礬石納米晶、(b)整體結(jié)構(gòu)、(c)純水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、(d)有機(jī)無機(jī)復(fù)合后的官能團(tuán)變化、材料配比對(e)拉伸強(qiáng)度和(f)壓縮強(qiáng)度的影響。

一旦牢固粘合后,水凝膠復(fù)合材料中的納米晶體與基體之間的緊密耦合(Fig. 3b)是粘合劑與基體緊密粘合和具有高粘接強(qiáng)度的重要來源(Fig. 3a)。界面處的掃描電鏡圖片(Fig. 3c)和三維X射線顯微形貌(Fig.3d)都顯示了粘合劑與基材的緊密粘合。Fig. 3e 展示了水凝膠復(fù)合材料對于5種不同基材的水下粘接強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)陶瓷基材所對應(yīng)的粘接強(qiáng)度最高(接近4MPa),金屬基材所對應(yīng)的粘接強(qiáng)度略低,木材和玻璃基材所對應(yīng)的粘接強(qiáng)度都可以超過1MPa,而聚四氟乙烯基材所對應(yīng)的粘接強(qiáng)度最低,但也可以超過300kPa。值得注意的是,由于水泥礦物的持續(xù)水化,水凝膠復(fù)合材料與基材之間的粘合可以在服役過程中得到持續(xù)的強(qiáng)化(Fig. 3g)。

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Fig. 3(a)粘接界面及(b)粘合材料與基材表面的粘合作用示意圖、(c-d)粘接界面的微觀圖像表征、(e)材料配比對于多種基材的水下粘接強(qiáng)度的影響、(f)對不同基材進(jìn)行粘接測試時獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線和(g)水凝膠復(fù)合材料對不同基材的水下粘接強(qiáng)度發(fā)展。

當(dāng)將這項工作測得的粘接強(qiáng)度數(shù)據(jù)與已有文獻(xiàn)對比后,可以明顯發(fā)現(xiàn)所制備的水凝膠復(fù)合材料對5種基材的粘接強(qiáng)度基本都超過了文獻(xiàn)數(shù)據(jù),尤其是對陶瓷、木材和玻璃基材的粘接強(qiáng)度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了已有文獻(xiàn)報道(Fig. 4a)。最后,這項工作還對比了幾種商用膠水的水下粘接強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律,可見與商業(yè)膠水服役過程中不斷劣化的規(guī)律相反,水凝膠復(fù)合材料的粘接強(qiáng)度在7天內(nèi)持續(xù)增強(qiáng),極大地促進(jìn)了水下強(qiáng)粘合劑的使用壽命。

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Fig. 4(a)與現(xiàn)有文獻(xiàn)報道的基材水下粘接強(qiáng)度的對比、(b)水凝膠復(fù)合材料與商業(yè)粘合材料對于鋁材的水下粘接強(qiáng)度發(fā)展對比。

 

小結(jié)

這篇文章從材料設(shè)計的角度充分結(jié)合和發(fā)揮了水凝膠多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和水泥礦物水化反應(yīng)增強(qiáng)的特性,構(gòu)筑了新型水下粘合材料。材料制備和應(yīng)用簡單便捷,可以與多種基材在水下環(huán)境實(shí)現(xiàn)強(qiáng)粘合。此外,水泥礦物的持續(xù)水化不斷增強(qiáng)水凝膠網(wǎng)絡(luò)和提高粘接強(qiáng)度,克服商業(yè)膠水服役過程中粘接效果劣化的問題,實(shí)現(xiàn)水下長久穩(wěn)健的基材粘接。

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https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/mh/d0mh00176g#!divAbstract

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