暨南大学刘明贤教授团队：甲壳素纳米晶作为环境友好型粘合剂

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粘合剂是一种将两种材料通过界面的粘附和内聚连接在一起的物质，在我们的日常生活中起着至关重要的作用，在宇航、交通运输、仪器仪表、电子电器、机械制造、生活用品等领域有着广泛的应用。目前。常见的粘合剂大多是有机溶剂型粘合剂，在使用过程中会释放挥发性有机物（VOC）。随着人们对环境问题的日益重视，粘合剂中的VOC对环境的污染和对人体健康的危害已经成为一个急需解决的问题。VOC可能会对健康造成短期和长期的不良影响，包括对眼睛、鼻腔、口腔和肺部的刺激，导致头痛、恶心、呼吸系统问题以及对肝脏、肾脏和中枢神经系统的损害。因此，寻找一种绿色、环保、高粘接强度的非有机溶剂胶粘剂迫在眉睫。

近日，暨南大学化学与材料学院刘明贤教授团队提出了一种基于甲壳素纳米晶须（ChNCs）水分散液制备的纳米粘合剂，该粘合剂仅通过来源于蟹壳的ChNCs即可形成一种高粘合强度的环保粘合剂（图1）。

图1. ChNCs悬浮液的粘合流程图

在该研究中，ChNCs悬浮液，在受限空间中蒸发诱导自组装的作用下，在粘合物体界面形成超分子结构的粘附层。蒸发过程中，受毛细管力，范德华力、静电作用力等产生的应力影响，ChNCs排列成高度有序的层状结构。ChNCs的这种长程有序的结构还会产生显着的各向异性粘合强度。它在平行于粘合主平面方向上的粘合强度可达5.2 MPa，0.25mg的甲壳素纳米晶粘合的玻璃片样品可以轻易提起25 kg的水桶(视频1)。而垂直于该平面方向的强度仅为0.4 MPa，各向异性粘合强度比大于10。粘合稳定性是影响ChNCs粘合剂实际应用的重要因素。通过敲击和掉落测试，可以看出纳米胶在保持高粘附各向异性的同时表现出良好的稳定性(视频2)，这可归因于高接触面积、强的氢键和范德华力相互作用（图2）。

视频1. 样品面内载荷测试

视频2. 样品掉落测试

图2. ChNCs纳米胶的粘合性能：ChNCs纳米胶样品的面内（A）和面外实物载荷（B）分别为F∥>250.00 N和F⊥>15.00 N；不同浓度ChNCs纳米胶的面内（C，D）和面外（E，F）载荷直方图和载荷-位移曲线；不同浓度ChNCs纳米胶平面内粘合剪切强度（G）以及对应的粘合强度各向异性直方图（H）；粘合载玻片的稳定性试验（I）：侧面敲击试验（粉色）、正面敲击试验（紫色）、整体跌落试验（红色方框）。

研究还测试了ChNCs粘合剂在不同材料的粘合能力，所测试的材料包括玻璃、金属、木材、聚合物以及它们的组合。值得注意的是，无论基底的表面是平滑的（玻璃）还是粗糙的（木材），ChNCs粘合剂仍然可以实现粘合。这些结果表明，ChNCs纳米胶的粘合性能并不局限于特定材料的表面，说明ChNCs纳米胶具有广阔的应用前景。

为了了解这种新型黏合剂的粘合机制和破坏机制，论文研究了粘合区的微观结构，发现其是在蒸发过程中形成的自组装结构(图3和视频3)。从SEM图中看到ChNCs沿条纹有序取向，当其受应力作用被破坏时，ChNCs的方向转向应力方向。从图3中看清晰看出，ChNCs纳米胶有两种主要的失效机制：粘合剂本身的失效（主要）以及粘合剂与基底的脱粘（次要）。

图3. ChNCs纳米胶的失效机理：用体式显微镜观察玻璃片粘接失效前后的照片（A）；代表ChNCs条纹与基底之间粘附失效的SEM图像（B，C）；说明沿施加应力方向条纹断裂的粘结失效位置（D，E；蓝色箭头和“F”表示应力方向，黄色框表示在应力作用下半分离的ChNCs条纹）。

视频3. ChNCs自组装视频

该工作以“Chitin Nanocrystals as an Eco-friendly and Strong Anisotropic Adhesive”为题目发表于《ACS Applied Materials & Interfaces》。论文第一作者为暨南大学化学与材料学院硕士刘宏忠，刘明贤教授为论文唯一通讯作者。

文章链接：

https://doi.org/10.1021/acsami.1c02000

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