具有静电相互作用的合成湿式胶粘剂

研究人员研究了静电相互作用作为一种提高粘合剂粘合力和粘合力的方法。这种方法可以通过改变电荷的数量和位置、离子强度或环境的pH值来调整粘合剂的附着力和粘合强度。常见的基于静电相互作用的各种胶粘剂，包括聚电解质胶粘剂和分子静电相互作用胶粘剂。

 聚电解质复合胶粘剂

通过将商业聚阳离子聚合物(如聚烯丙基胺)与多价阴离子交联剂(如焦磷酸盐或三聚磷酸盐[1]混合，制备了一种基于静电相互作用的简单且廉价的复合湿式胶粘剂。混合后，由于相反电荷的高交联密度，形成了坚硬的凝胶状复合物。该复合粘合剂用作压敏胶(PSA)，在亲水性(如玻璃)和疏水性(如PMMA、聚四氟乙烯)基板上表现出很强的水下附着力(350-450kPa)。有趣的是，这种聚电解质粘合剂可以通过简单地调节pH值来去除，因为阳离子被去质子化或阴离子被质子化，破坏了聚电解质复合物中的静电相互作用并导致其溶解[2]。对于邻苯二酚为基础的复合凝聚湿粘合剂，凝聚体表现出优异的铺展和润湿性能，这使得它们对于必须在水下使用该粘合剂的应用非常有利[3]。基于这些优势，研究人员制备了一种基于静电相互作用的水下粘接用热响应型复合凝聚剂。该胶粘剂是由聚(丙烯酸)接枝聚N-异丙基丙烯酰胺(PAA-g-PNIPAM)和Pol(二甲氨基丙基丙烯酰胺)-接枝聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PDMAPAA-g-PNIPAM)两种相对荷电的聚电解质溶液混合而成的，两种组分的摩尔比约为1：1。这两种溶液在pH值为7时以1：1的相反电荷单位的化学计量比混合。单体浓度的总电荷为0.05M，差示扫描量热法测定混合物的临界溶解温度（LCST）为23°C。当温度高于LCST时，PNIPAM的侧链聚集成微区，形成物理混合物从几乎透明的溶液转变为白色的固体状复合凝聚体。通过探针法测量的水下粘合强度与温度有关。在20℃时，复合凝聚体对PAA水凝胶膜的粘附能仅为0.02J/m2，但当温度升高到50℃时，其粘附能增加了两个数量级，达到1.6J/m2。这种复合凝聚型胶粘剂还可以附着在玻璃和聚四氟乙烯等亲水和疏水基材上，与带负电的PAA表面相比，具有更高的粘接能(玻璃为3.8J/m2，聚四氟乙烯为3.2J/m2)[4]。

 基于分子静电相互作用的胶粘剂

对于在潮湿条件下粘附在生物组织等基材上的粘合剂，它必须有足够的反应位点与基材表面相互作用 [5]。由于许多生物组织具有净表面电荷，因此可以通过静电相互作用实现粘附[6]。然而，尽管已经报道了使用静电相互作用的粘合剂，但很少观察到通过完全分子静电相互作用在水中进行宏观粘合。最近，有研究者使用探针粘性测试研究了基于分子静电相互作用的聚电解质凝胶的宏观湿粘附。他们发现，带相反电荷的表面之间的粘附力很大程度上取决于脱键速率，而不是像基于氢键的粘附力的接触时间。此外，带相反电荷的聚电解质凝胶之间的粘附能与电荷密度呈正相关，与凝胶的模量呈负相关。此外，尽管相反电荷之间的分子静电相互作用可以提供在水中的粘附力，但由于屏蔽效应，这些静电相互作用在海水中往往会消失， 从而难以通过静电相互作用在海水中实现粘附。海水。然而，当氨基酸和芳香族残基在生物系统中相邻时，它们可以通过静电相互作用吸附到带负电的蛋白质双层上。受此启发，Gong 及其同事设计了由多种阳离子/芳香族单体组成的序列控制水凝胶，通过静电相互作用显示出对海水中带负电表面的快速、牢固和可逆粘附[7]。这些粘性水凝胶是通过阳离子-π复合物辅助的自由基聚合制备的。这些水凝胶的制备取决于阳离子和芳香族残留单体的乙烯基头的类型，以及这两种单体之间的比例。只有当两种单体具有相同的乙烯基头和摩尔比时，才能获得所需的序列控制水凝胶。如果乙烯基头的类型和摩尔比不同，则由于芳族残基的疏水聚集而获得水不溶性聚合物。水凝胶的机械性能可以通过改变单体或交联剂的含量来调节。即使在高盐离子溶液和海水中，水凝胶对带负电或疏水表面的强粘附力也是通过静电和疏水相互作用实现的。这种新颖的设计可以指导通过海水中的分子静电相互作用实现粘附的研究[7]。

参考文献

[1] Huang Y , Lawrence PG , Lapitsky Y . Self-assembly of stiff, adhesive and self- -healing gels from common polyelectrolytes. Langmuir 2014;30:7771–7 .

[2] Lawrence PG , Lapitsky Y . Ionically cross-linked poly(allylamine) as a stimu- lus-responsive underwater adhesive: ionic strength and pH effects. Langmuir 2015;31:1564–74 .

[3] Cui CY , Fan CC , Wu YH , Xiao M , Wu TL , Zhang DF , et al. Water-Triggered Hy- perbranched Polymer Universal Adhesives: From Strong Underwater Adhesion to Rapid Sealing Hemostasis. Adv Mater 2019;31:1–9 1905761/ .

[4] Dompé M , Cedano-Serrano FJ , Heckert O , Heuvel N , Gucht J , Tran Y , et al. Thermoresponsive complex coacervate-based underwater adhesive. Adv Mater 2019;31:1–6 1808179/ .

[5] Tamagawa H , Takahashi Y . Adhesion force behavior between two

gels attached with an electrolytic polymer liquid. Mater Chem Phys

2008;107:164–70 .

[6] Gong JP . Friction and lubrication of hydrogels—its richness and complexity. Soft Matter 2006;2:544–52 .

[7] Fan HL , Wang JH , Tao Z , Huang JC , Rao P , Kurokawa T , Gong JP . Adjacent cationic–aromatic sequences yield strong electrostatic adhesion of hydrogels in seawater. Nat Commun 2019;10:1–8 5127/ .