南京大学李承辉教授课题组CEJ：粘性可调的变刚度复合材料

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智能粘合剂由于其可逆的粘合能力和刺激响应行为而备受关注。随着智能设备(诸如传感器、软体机器人等)对粘合剂性能需求的日益增长，制备多功能的粘合剂具有重要意义和实用价值。但是对于大部分智能粘合剂材料而言，将高导电性、可调粘合性、热修复性、变刚度性、可回收性和可重复使用性等结合到一种材料中仍然颇具挑战。

为了解决上述问题，南京大学李承辉教授课题组以含有多氢键作用的超分子聚合物(SMP)为基体再与石墨烯纳米片(GNs)共混制备出具有可调粘合性质的变刚度复合材料(SMP/GNs)。得益于体系中大量的羧基与氨基，SMP/GNs复合材料对多种表面(如钢、铁等)均表现出卓越且可重复的粘合作用，对玻璃表面具有可达6.48 MPa的剪切粘接强度。与此同时，所设计的SMP/GNs复合材料还表现出优异的变刚度性、导电性、修复性和可回收性等。通过施加不同大小的电压，可以实现对复合材料粘合力大小与有无的调控。相关工作近期以题为“A Variable Stiffness Adhesive Enabled by Joule Heating Effect”发表在了《Chemical Engineering Journal》上（DOI：10.1016/j.cej.2021.133840），该复合材料有望在可穿戴设备、软体机器人和驱动器等领域上得到广泛应用。南京大学博士生张敏浩为论文第一作者，通讯作者为南京大学化学化工学院李承辉教授。

在制备过程中，首先以1,12-二氨基十二烷和丙烯酸为原料合成出含有大量羧基与氨基存在的超分子聚合物(SMP)体系。再将所得超分子聚合物与石墨烯纳米片共混加工，得到具有热塑性质的SMP/GNs复合材料(图1)。

图1 SMP的合成与氢键作用以及SMP/GNs复合材料的制备

对材料进行拉伸测试与流变学测试可知，复合材料的机械强度对温度具有高度敏感性，其模量大小随温度升高而减小，说明材料具有优良的变刚度性质。同时温度循环流变测试表明材料的变刚度性具有可循环性和高重复性的特征(图2)。

图2 SMP/GNs复合材料的机械性质与流变学性质

对材料进行粘合性测试，制备的复合材料对多种表面(如钢、铁、玻璃等)具有优异的粘合性质，其中对玻璃的剪切粘接强度可达6.48 MPa，并且可重复多次使用。通过热压冷却的方式使用SMP/GNs将两块钢板粘合起来，0.2 g的粘合剂便可承载20 kg以上的重量(图3)。

图3 SMP/GNs复合材料的粘合性质

由于基体材料SMP的多氢键和变刚度性质，在加热时体系中部分羧基与氨基暴露出来，与物体表面发生作用，产生粘附性。而当温度过高时，由于氢键解离材料自身模量下降，导致粘附性变弱。通过不同温度下复合材料的粘附力测试，表明粘附力随温度升高具有先上升后下降的特性(图4)。

图4 温度对SMP/GNs复合材料粘合性质的影响

利用复合材料粘附力随温度变化的性质，研究团队基于SMP/GNs制作出简易的电驱动夹持器，施加电压便可粘附不同形状的物体。此外，通过改变施加电压的大小，还可以实现对物体的粘附与剥离，为电驱动万用夹持器的设计提供了新的方案(图5)。

图5 基于SMP/GNs复合材料的简易电驱动夹持器

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133840

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