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​FQ课题组《Mater. Horiz.》:一种应变增强型聚氨酯胶粘剂
发布时间:2023-08-24

FQ课题组《Mater. Horiz.》:一种应变增强型聚氨酯胶粘剂


李川龙,董文博,李龙玉,窦正力,李禹函,魏柳荷,张琴*,傅强,吴凯*


      胶粘剂广泛应用在日常生活、工业生产的各个方面,有效粘接不同部件以实现功能化。而现有的胶粘剂通常难以同时兼顾延展性和强粘性,即粘接韧性低,难以满足不断复杂化的粘接环境。同时,为保证粘接结构的稳定性,胶粘剂材料通常具有牢固的分子网络和强大的界面结合,如传统的环氧树脂胶粘剂,这使得在其服役周期结束后,难以实现部件回收,且通常在部件表面存在大量胶粘剂无法去除。目前,通过牺牲键(动态氢键、化学键等)构筑胶粘剂尽管能够一定程度解决强韧性、部件回收的难题,但残胶问题依然困扰着广大研究者。


图1. 具有强韧特性的自增强PUD胶粘剂材料分子结构设计策略


      针对以上问题,四川大学FQ课题组吴凯副研究员和张琴研究员联合报道了一种基于自增强结构的强韧型聚氨酯(PUD)胶粘剂。作者通过应变诱导结晶的方式有效提高胶粘剂的内聚力,并利用高粘附性的邻苯二酚作为悬垂支链实现与基底有效结合。协同作用下,PUD胶粘剂实现了11.37 MPa的粘接强度和10.32 kN/m的脱粘功,在已报告的胶粘剂材料中展现出明显优势(图1)。并且,拉伸结晶的特性使该胶粘剂在剥离时仅表现出界面脱粘行为,有效解决了残胶问题。此外,该PUD胶粘剂具有出色的循环使用性,能够适用于不同温度、不同材料的有效粘接。其优异的热响应特性,赋予了快速按需脱粘/粘接能力,为按需装配,部件回收提供了可能性。这一研究为设计方便可拆卸的高性能胶粘剂提供了创新的灵感。相关工作发表在材料领域优秀期刊Materials Horizons上。


图2. PUD胶粘剂本体强度和自增强行为展示


       在胶粘剂设计中,考虑到胶粘剂本体强度和界面结合强度作为是其关键因素,作者充分协同应变诱导结晶自增强、层次氢键及高活动性悬垂粘接支链的作用,从分子结构出发,首先合成了带邻苯二酚支链的T形分子。随后将其与聚四氢呋喃、吡啶二醇、异氟尔酮二异氰酸酯经缩聚反应制备出PUD胶粘剂(图1)。上述思路存在以下巧妙之处:利用弱氢键,赋予PUD大变形和能量耗散能力,强氢键维持结构稳定性;利用应变诱导结晶增强了PUD本体强度;利用支链结构的高活动性,保障PUD和基板之间的界面结合强度。通过合理调控吡啶二醇和悬垂支链的含量,最大化应变诱导结晶对PUD胶粘剂本体强度的增强效应(拉伸强度: 24.2 MPa,图2),从而保证材料在剪切过程中维持本体结构的完整性,抵制胶粘剂发生内部破坏。同时,由于支链的运动能力通常是远高于主链的,因此,通过将邻苯二酚置于支链有效提高了粘接基团与基板接触的可能性,增加了界面处的相互作用。最终,该胶粘剂通过平衡延展性和强粘性,展现出优异的粘接性能(粘接强度:11.37 MPa,脱粘功:10.32 kN/m,图3),且在剪切过程中通过界面破坏解决了大多数胶粘剂带来的残胶问题。


图3. PUD胶粘剂粘接性能及强韧机理展示


       此外,PUD胶粘剂可适用于较宽的温度区间及不同基板材料的粘接,以满足不同的粘接环境(图4)。同时,基于动态氢键作用的PUD胶粘剂能够实现多次反复粘接,且由于具备热响应特性,能够快速实现按需脱粘/粘接,为临时装配,部件回收等场景提供了可能性。


图4. PUD胶粘剂普适性粘接、循环粘接能力及热响应性脱粘/粘接行为


    相关成果以“A Strain-Reinforcing Elastomer Adhesive with Superior Adhesive Strength and Toughness”发表在Materials Horizons(Mater. Horiz., 2023, DOI: 10.1039/D3MH00966A)上。通讯作者为四川大学的吴凯副研究员和张琴教授。四川大学的博士研究生李川龙为本文的第一作者。感谢国家自然科学基金(No. 52103091)、国家重点研发项目(No. 2022YFB3806900)和高分子材料工程国家重点实验室(No. sklpme2022-3-15)对本工作的经费支持!


原文链接:https://doi.org/10.1039/D3MH00966A