【文献总结】2021.5.31-组内动态-仿生智能材料研究组  
【文献总结】2021.5.31
chengchaoyi 6月前 639

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    在各种表面上的坚韧粘接是现代功能粘合剂的显著特征。从传统的树和树胶到仿生粘接水凝胶,聚合物结构不仅在表现出优异的和长期的粘接性能方面发挥着重要作用,而且在特殊环境(如高水分环境或水下)中实现粘接行为也发挥着重要作用[1]。水下胶粘剂在日常生活、海洋和医疗等领域有着广泛的应用,可以说开发能够在水下各种表面实现坚固和可重复粘附的粘合剂是很有前途的。然而,由于胶粘剂界面的水合水很难被驱离,实现强大的水下胶粘性是一项具有挑战性的任务[2]。这层水合水膜严重地阻止了胶粘剂和基材之间的紧密化学接触削弱了界面分子之间的相互作用因此提供粘合驱动力的被粘附物的表面能大大降低[3]。
       已经有许多研究者对水下粘附剂进行了很多探索,我们可以借鉴他们的经验学习他们的成果。贻贝为灵感的导电水凝胶在开发下一代自粘性、柔性类皮肤传感器方面颇具吸引力。一种多巴胺触发的凝胶(DTG)策略,用于制备贻贝启发的、透明的和导电的水凝胶。DTG设计充分利用了作为聚合引发剂和动态介体的多巴胺的双重功能,精心设计和协调了水凝胶的交联网络,具有显著的粘附性、坚固的弹性、自愈能力。这些优异的性能使DTG水凝胶能够作为自粘性、柔性的皮肤传感器,实现在水下的粘附。这种良好的粘接性能也可以表现在广泛的基底上,包括有机(聚四氟乙烯(PTFE)和聚乙烯(PE))和无机(铝(Al)和玻璃)表面。如图1所示, PTFE为6.1kPa,PE为8.4kPa,铝板为20.4kPa,玻璃为14.5kPa[4]。此外,DTG水凝胶对猪皮等组织表面的黏附强度(10.3±0.5kPa)与一些邻苯二酚水凝胶相当。
     

    图1

    来自低分子单体的超分子胶粘剂很少被认识。与聚合物粘接材料相比,超分子粘接材料在湿表面甚至水下实现强韧粘接仍然具有挑战性。本研究成功地设计并制备了一种由低分子单体组成的新型超分子胶粘剂。在各种表面上实现了较强的长期粘接性能,最大粘接强度为4.174 MPa[1]。这种超分子胶粘剂在高水分和水下环境(包括海水)中表现出坚韧和稳定的粘接性能.


    图2

    有研究者提出了一种开发坚韧的水凝胶的策略,这种水凝胶坚固耐用,可重复使用,可长期用于水下黏附。从藤壶水泥蛋白中残留的氨基酸出发,合成了具有芳香性的阳离子和芳香族单体水凝胶。由于链间π-π和阳离子-π相互作用,水凝胶具有较强的力学强度和韧性(弹性模量为0.35 MPa,断裂应力为1.0 MPa,断裂应变为720%)[3]。在水中,水凝胶通过界面静电和疏水相互作用(粘附强度为180kPa)牢固地粘附在不同的表面上,从而实现瞬间粘附和可逆性(50倍)。此外,该水凝胶在水中具有长达数月(100天)的粘附性。
     

    图3

    研究者提出了一种基于硅钨酸(SiW)和聚乙二醇-嵌段-聚丙二醇-嵌段-聚乙二醇(P123)胶束水溶液在氢键和疏水相互作用驱动下一步凝聚的新型瞬时水下胶粘剂。所制备的胶粘剂在水下具有瞬间优异的附着力(在聚甲基丙烯酸甲酯上高达479.6 kPa)[5],可在水下在各种基材上轻松涂漆,表现出耐水冲性能以及基材的可重复拉伸和弯曲性能,优于以往报道的许多胶粘剂。
     

    图4


    1.        Li, X., et al., Tough, Long-Term, Water-Resistant, and Underwater Adhesion of Low-Molecular-Weight Supramolecular Adhesives. J Am Chem Soc, 2020. 142(11): p. 5371-5379.
    2.        Cui, C., et al., Water-Triggered Hyperbranched Polymer Universal Adhesives: From Strong Underwater Adhesion to Rapid Sealing Hemostasis. Adv Mater, 2019. 31(49): p. e1905761.
    3.        Fan, H., J. Wang, and J.P. Gong, Barnacle Cement Proteins‐Inspired Tough Hydrogels with Robust, Long‐Lasting, and Repeatable Underwater Adhesion. Advanced Functional Materials, 2020. 31(11).
    4.        Zhang, C., et al., Dopamine-Triggered Hydrogels with High Transparency, Self-Adhesion, and Thermoresponse as Skinlike Sensors. ACS Nano, 2021. 15(1): p. 1785-1794.
    5.        Peng, Q., et al., Coacervation-driven instant paintable underwater adhesives with tunable optical and electrochromic properties. Journal of Materials Chemistry A, 2021.

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