上海交大任天辉团队/宁波材料所曾志翔团队Adv.Mater.: 黏附界面的亲、疏水聚合物链调节，实现水凝胶在多液体环境中的强黏附
近日，上海交通大学任天辉团队和宁波材料所曾志翔团队合作提出了一种调节亲、疏水聚合物链在黏附界面除水除油原理，将磷钨酸 (PTA)引入到聚丙烯酰胺－甲基丙烯酸十八烷基酯P(AAm-co-C18)水凝胶，通过Fe3+的静电诱导作用可以将内部的亲水和疏水聚合物链在表面进行迁移重排，实现在水、油、有机溶液等多种环境中的湿粘附行为。该工作为多液体环境应用场景的湿粘附水凝胶设计提供了新思路。相关工作以＂Hydrogel with robust adhesion in various liquid environments by electrostatic induced hydrophilic and hydrophobic polymer chains migration and rearrangement＂为题发表在《Advanced Materials》上。
聚合物链调节制备多液体环境黏附用水凝胶
多液体环境黏附水凝胶以聚丙烯酰胺水凝胶为主体，具有在油及有机溶液中的抗溶胀性能。在聚丙烯酰胺中添加SDS-C18微胶束溶液以提供在水环境中的抗溶胀性能，并提供一定的交联作用。P(AAm-co-C18)水凝胶整体不添加化学交联剂，用PTA表面丰富的氧终止表面以氢键作用对水凝胶进行物理交联。经过Fe3+溶液的处理得到P(AAm-co-C18)/PTA-Fe水凝胶，在Fe3+的静电作用下水凝胶内部的PTA-亲水链络合物会朝着水凝胶表面迁移，SDS-C18微胶束也会在在静电作用下发生迁移并黏附表面重排。这样，水凝胶表面的亲水、疏水聚合链便完成了调节，黏附界面的聚合物链组成会对水、油环境中的黏附产生重要影响。这种水凝胶表面聚合物链调节机制还未被报道。
进一步研究P(AAm-co-C18)/PTA-Fe水凝胶的黏附性能。在PTA与丙烯酰胺质量比为5%，且Fe3+溶液处理30min时，水凝胶表面的亲、疏水聚合物链调节状态最佳，具有最好的水下和油下粘附性能。P(AAm-co-C18)/PTA-Fe水凝胶为一种压敏胶，随着预加载力和接触时间的增加，黏附强度也会增加，在水下和油下可达到92.6和90.0 KPa的黏附强度。此种水凝胶在多种水溶液（高盐溶液、模拟体液、强酸、强碱），有机试剂（乙醇、DMSO、硅油、甲苯、二氯甲烷）和油类试剂（环己烷、十二烷、蓖麻油）中都具有较好的黏附行为。这种具有水、油下通用且具有强黏附性能的水凝胶，几乎未被报道过。
液体环境中的湿粘附的要点在于：界面液体层的去除和有效的界面黏附基团作用。为了探究水凝胶对于界面液体层的作用，研究了未交联的PAAm水凝胶和P(AAm-co-C18)/PTA-Fe水凝胶对于界面油层和水层的排出行为。经过荧光指示剂的显示，可以看到P(AAm-co-C18)/PTA-Fe水凝胶能在预加载力的作用下排出黏附界面的液体层。通过对P(AAm-co-C18)/PTA-Fe水凝胶表面疏水链的粘附力测试，以及结合前面的表征测试，可以得出在Fe3+处理后，水凝胶表面的亲、疏水聚合物链组成发生了变化。类比于PAAm水凝胶的“聚合物链丝”的排水排油行为，P(AAm-co-C18)/PTA-Fe水凝胶在水下、油下的黏附行为也与表面的聚合物链调节有关。
相对于常见的水下湿粘附水凝胶，经过调节后的亲、疏水聚合物链P(AAm-co-C18)/PTA-Fe水凝胶实现了油下、水下的通用黏附。具体为，在水环境中表面的疏水聚合物链排出了黏附界面的水层，通过与粗糙基底表面的机械互锁和黏附基团界面作用，最终完成了水下黏附。同理，在油或有机试剂的环境中，表面的亲水聚合物链起到了排油的作用。P(AAm-co-C18)/PTA-Fe水凝胶能用于油、水环境中的紧急漏液处理。
[小结]
该研究论证了通过调节水凝胶表面的亲、疏水聚合物链，能排出黏附界面的液体屏障层，实现水下、油下的多重黏附行为。该研究为水凝胶实现多种液体环境下的黏附提供了新思路，并展现了在苛刻液体环境中的巨大应用潜力。
以上成果近期发表在Advanced Materials上，文章第一作者为上海交通大学付超博士，通讯作者为上海交通大学任天辉教授、中国科学院宁波材料所曾志翔研究员和王刚副研究员。该项目得到国家自然科学基金项目的资助。
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