背景介绍
随着全球环保意识的日益高涨，水性粘合剂因其固有的安全性、低挥发性与便捷清洁性，正逐步替代传统溶剂型产品，成为粘合剂市场的新兴宠儿。尽管拥有诸多优势，水基粘合剂却常受限于较低的初粘力与湿度敏感性，尤其是在极端温度条件下表现欠佳。为攻克此难题，近年来纳米粒子被寄予厚望。作为一种新的交联剂，纳米粒子在一定程度上改善了粘合剂的力学与化学稳定性。特别是亚纳米尺度的金属氧化物团簇，凭借其极高的比表面积，能够与聚合物链实现更广泛的相互作用，由此开启了一扇通往高性能水基粘合剂的大门。
本研究着眼于探索带不同电荷数量的磷钨氧团簇（POTs）对其在复合材料粘接效能上的影响，并成功制得了兼具卓越机械强度、优异热稳定性和抗恶劣环境侵蚀的水基聚乙烯醇粘合剂。这一突破性进展不仅大幅提升了粘合剂的技术指标，也为其在建筑、包装乃至电子制造等多个领域的广泛应用铺平道路，彰显出纳米科技在绿色粘合剂技术升级中的巨大潜能。
成果简介
为了得到一种环境友好的水基粘接剂，我们将亚纳米级的Keggin型多金属氧酸盐，尤以带四个负电荷SiW12的多钨酸为代表，融入聚乙烯醇（PVA）体系，制备出一类性能卓越的水性胶粘剂。该水性胶粘剂的界面韧性与交联致密性均较高，断裂能超过6.23 kJ m-2。在对玻璃基材展开的实际测试中，这些胶粘剂的剥落强度达到了6.44 kN/m，超越了传统商用胶粘剂。SiW12-PVA纳米复合水基粘接剂不仅展现了极佳的柔韧度，其丰富的表面羟基保证了与多元材质的无缝贴合，无论是玻璃、钢铁还是铝合金，都能牢固粘接。特别在极端温域（-196至100°C）下也能保持强劲的粘接效果。
本次研究成果不仅代表了粘合剂技术的一次重大飞跃，更是环保理念与科技创新紧密结合的典范，预示着更加绿色、高效的粘合解决方案即将步入人们的生活，引领行业迈向可持续发展的新纪元。通过持续的优化与技术创新，未来的水性粘合剂将超越现有局限，为全球环境保护与经济绿色发展贡献力量。
图文导读
图1. (a)POT-PVA粘合剂的剥离强度。(b)180°剥离试验中的失效模式示意图。(c)POT-PVA粘合剂在玻璃表面的粘附示意图。(d)两种失效模式数码照片。(e)带有不同负电荷的POTs的剥离强度直方图。(f) POT-PVA粘合剂和商业粘合剂的剥离强度对比。
图2. (a) POT-PVA粘合剂的剥离强度。(b)由SiW12-16粘合剂粘接的光滑玻璃提起一个22.5 kg的砂桶。(c)SiW12-16的剥离强度随时间的变化。(d)SiW12-16在极端条件下的剥离强度。(e)SiW12-16粘合剂在不同基板上的剥离强度。
图3. (a)各种POT-PVA粘接剂的傅里叶变换红外（FTIR）光谱。(b)不同SiW12含量的粘合剂的归一化红外光谱。(c)含有不同POTs的粘合剂的归一化红外光谱。(d)不同POTs粘合剂的SAXS曲线。(e)POT-PVA粘合剂中PVA结晶度与POTs重量分数的关系。(f) SiW12滴定PAV溶液的ITC曲线。(g)ITC曲线与单位点模型进行拟合。(h)SiW12与PVA相互作用的结合常数（Ka）和相关的热力学参数（ΔH和−TΔS）。
图4. (a)PW12-16(b)SiW12-16(c)BW12-16(d)LiSiW12-16薄膜的力-位移曲线和断裂能。(e)POT-PVA薄膜的断裂能直方图。(f)POT-PVA薄膜的杨氏模量。(g)BW12-16的结构示意图，以及BW12和PVA之间的间接关联。
图5. (a) 不同SiW12含量的粘合剂的核磁共振（NMR）曲线。(b)POT-PVA粘合剂的拉曼光谱。(c)Li4SiW12-PVA和SiW12-PVA粘合剂的剥离强度。(d)Li4SiW12-16复合材料自剥离的照片和Li+屏蔽SiW12和PVA之间的氢键的示意图。
作者简介
陈坤，华南理工大学副教授，博士生导师，研究脂质、多肽、蛋白质、DNA等生物大分子可控修饰多酸的方法，搭建高效的具有在线检测功能的反应装置，进行精确、即时的反应控制，合成具有生物活性的生物大分子-多酸杂化材料，并分别研究杂化材料在溶液和固相条件下的自组装行为和自组装规律，及其在蛋白质分离和提纯、细胞培养和分离、药物运输和组织工程等方面的应用。
本课题组长期招聘相关研究领域的博士后，欢迎广大研究生报考。
文章信息
Cui P, Yu Q, Chen J, et al. Enhancing adhesive performance of polyvinyl alcohol with sub-nanoscale polyoxotungstate clusters under extreme conditions. Nano Research, 2025, 18(2): 94907126. https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907126.
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