“逆天”水性胶，高耐溶剂性：解决界面润湿与内聚能的矛盾

健康科学 2024-06-24 07:55 上海

前段时间，《胶界》发布了一篇文章解读《“逆天”压敏胶，粘接力媲美结构胶，竟由小分子离子液体构成？》，恰好此科研团队也看到了，说是受到了同行的广泛关注，希望《胶界》能继续对其最近的研究成果作进一步解读宣传。

认真拜读了其最新大作”Concentration-induced spontaneous polymerization of protic ionic liquids for efficient in situ adhesion“，发现的确颇有新意，怪不得可以发表在国际知名期刊《Nature Communications》

长期以来，新型胶粘剂的设计一直受到内聚作用和界面粘附作用之间难以平衡的限制。通常，胶粘剂的内聚力关联其机械性能和粘弹性，而其界面粘附力则主要由胶粘剂与特定基底表面的相容性决定。虽然在胶粘剂分子链之间通过共价或非共价相互作用交联被认为是增强内聚作用强度的有效方法，但在大多数情况下，这些相互作用会严重限制分子链在粘附操作过程中的运动能力，从而导致胶粘剂对被粘材料表面的浸润和界面粘附作用显著下降，从而恶化粘附性能。

也就是说，若要胶水拥有好的界面润湿能力，其内聚能往往有所牺牲；若要提高胶水的内聚能，其与界面的润湿能力又会有所下降。

既要高的内聚能，又要好的界面润湿能力，难道就真的做不到了？

此科研团队从自然界里找到了答案。

海边岩石上的贻贝就是一个很好的例子，该生物体通过分泌低分子量、高流动性的粘附蛋白在被粘材料表面形成充分的界面相互作用，然后通过固化交联来增强内聚力，最终形成强大的宏观粘附力。

受自然粘附现象启发，此科研团队推出了一种新技术：在施胶时，用的是单体离子液体水性胶（由两种单体与水混合而成），通过热处理方式进行原位自发聚合，最终实现超强粘附效果。

施胶工艺如上图所示：

先把这种特殊的离子液体水性胶分别涂覆在将要被粘接的两块基材表面，接着110C条件下热处理6小时（此过程中，水会蒸发掉、单体发生自聚反应，水性胶从液体转变为不具有粘性的固态），然后通过热压的方式（110C,30min）将两块基材粘接在一块。

粘附性能测试显示，即使粘附面积只有1 cm²的陶瓷基底也能够轻易地悬挂起52 kg的重物，不会出现脱落。

在陶瓷、环氧树脂（EP）、不锈钢（SS）和铝（Al）上的平均粘附强度分别能够达到15.6、12.5、9.8和9.0 MPa。

此外，该胶粘剂固化后，还具有很好的有机溶剂耐受性，能够在多种常见的有机溶剂中持久有效。

一方面，对于固化后的胶体本身，即使经过长时间（1个月）的有机溶剂浸泡，样品并未表现出明显的溶胀或溶解。

另一方面，粘附性能测试也发现了长时间的有机溶剂浸泡过程对固化后胶水的粘附性能影响非常小，如下图所示

例如，将粘接好的陶瓷基底浸泡在DCM中1个月后，其粘附强度仍能保持在12.8 MPa，维持在初始粘附强度的82.1%。相比之下，商业化胶粘剂，如氰基丙烯酸酯基胶粘剂（3M PR100）和双组分丙烯酸基胶粘剂（3M DP8005）在DCM中浸泡24 h后会出现明显的溶胀和粘附失效现象。

看到这里，想必不少人开始按耐不住，这个由单体混合物组成的离子液体水性胶到底是什么玩意儿？

当魔术没有解密时，一切高深莫测；然而，当知道真相之后，不少人都会情不自禁发出感慨，原来一切高大上可以这么简单！

这个离子液体水性胶也是一个道理，从成分角度来看，它简单地不能再简单了。

只需将等摩尔量的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸AMPS和醇胺（例如乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺）共同溶解于去离子水中，然后在室温下不断搅拌反应5 h以上，最终得到浓度为1 M/L的目标产品——离子液体水性胶。

为什么这个由单体混合物组成的离子液体水性胶可以提供如此优异的粘接性能呢？

第一，离子液体水性胶完全由单体混合物组成，对界面润湿性极佳。

第二，AMPS可以在110C条件下发生自聚反应，形成高分子链段，从而提供了胶水基本需求的内聚能。

第三，加入了醇胺这一成分，同时所选择的可以自聚反应单体AMPS带有磺酸基团，两者之间可以发生酸碱反应。

科研工作者认为，醇胺分子在固化后的材料内部形成氢键交联网络方面起到了重要作用。醇胺分子的存在除了能够大幅增强氢键相互作用，还能与有机酸聚合物主链发生酸碱反应，诱导其去质子化。分子间相互作用位点越多，链间作用强度将进一步增强，更有助于获得高内聚作用。

最后需要指出的是，此研究工作所用的施胶工艺可能不适用于目前工业中大部分实际应用，但是基于该离子液体水性胶的特性与固化条件，还是可以根据实际应用的需求来优化其施胶工艺流程，从而发挥该新型水性胶的特色。

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