苏大严锋/南大王晓亮《Angew》：受结冰启发的基于有机离子晶体/水凝胶的高强度可逆胶粘剂

材料化学快讯材料化学快讯 2022-05-28

来源：X-MOL资讯

胶粘剂已经成为材料加工、可拉伸电子产品等许多领域不可或缺的核心组件之一。然而，常规的固化胶粘剂难以被分离回收，一定程度上限制了材料的循环再应用。可逆胶粘剂，由于可以促进胶粘剂和基材的循环利用，近年来备受大家的关注。然而，现有的可逆胶粘剂大多存在粘合强度低或制造工艺复杂的缺陷，限制了其实际应用。

图1. IC gel的制备和可逆粘附流程图

受自然界结冰/熔融所形成的可逆粘附现象的启发，苏州大学严锋教授与南京大学王晓亮教授合作，制备了一种基于有机离子晶体/聚合物凝胶的可逆胶粘剂。通过将单体N,N-二甲基丙烯酰胺 (DMAA) 与熔融态的离子晶体 (IC) 原位光聚合，制备了基于离子晶体凝胶 (IC gel) 的可逆胶粘剂。

图2. A) IC-1 gel在30℃和120℃下的宏观图。B) IC-1 gel在玻璃上的循环粘附测试。C) IC-1 gel在不同基底上的粘附强度。D) IC-1 gel与工业胶带和文献报道的可逆胶粘剂的粘接强度对比。

当所制备的离子晶体凝胶冷却到IC相变 (结晶) 温度以下时，胶粘剂会在凝胶/基底之间形成了一层薄且硬的离子晶体，从而赋予其较高的粘附性；在高于离子晶体的相变温度下，IC 凝胶逐渐变成软弹性，粘附力降低并消失，并表现出优异的粘附可逆性。该方法合成的胶粘剂能够在不同的材料表面实现高强度、持久的粘附 (最大粘接强度达到5.8 MPa)。

图3. A) IC-1 gel与玻璃和铁表面粘接的分子模型。B) IC-1 gel在两种基底上运动的构象。C) IC-1 gel质心与两种基底的时间-距离图。(D) IC-1 gel与两种基底间的平均氢键长度。(E) IC-1 gel本体和IC-1 gel /基底的氢键数目分别对粘附的贡献。

还利用分子原子动力学 (MD) 模拟，进一步研究了IC 凝胶与玻璃和铁两种基底的相互作用能。IC-1 gel/玻璃表面的静电能远远大于IC-1 gel/铁基底，与粘附测试结果相符。通过观察胶粘剂在不同基底的运动情况，发现超强粘附源于IC 凝胶与玻璃表面SiO2形成的氢键。

图4. A) IC-1 gel在酸、碱和海水中的粘接性能。(B) IC-1 gel可以承受54公斤重的成人。(C) 粘附强度和|Z|随温度的变化。(D) 电容随温度的变化。

此外，作者还做了很多有趣的实验，来验证IC 凝胶的强而持久的黏附能力。例如，利用此可逆粘结剂制备的玻璃板材可以承受54公斤的成人。由于该可逆胶粘剂具有特殊的电化学性能 (导体-绝缘体转变)，可以通过电阻/电容来实时监测IC凝胶的粘附情况。该研究工作为高强度可逆胶粘剂的设计提供了新的思路，在可逆胶粘剂的开发和应用领域展现了一定应用前景。