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仿生水下可逆黏附材料研究获进展

来源:兰州化物所 2018-01-02 09:26

 

大多数胶黏剂在空气中具有优异的粘接强度,而在水中却很快丧失效果,这是因为水分子进入粘合界面处对胶黏剂分子产生水化/溶胀/降解作用,从而使得粘接性能迅速丧失。因此,水下高黏附材料一直是工程材料领域的研究难点与热点。科研人员通过仿生多巴胺、界面超分子作用、聚电解质络合作用等手段,发展了不同类型的水下黏附材料,但很难实现材料的水下可逆黏附性调控。

近日,中国科学院兰州化学物理研究所周峰课题组与香港城市大学王钻开课题组合作,设计制备了一种仿生水下“胶水”,该材料不仅在水下具有较强的黏附性,更重要的是,其在水下的黏附强度可以通过控制界面温度进行可逆调节。

该材料体系设计理念来源于贻贝足丝在水下具有高黏附强度和水下粘合剂快速失效。为了使材料具备水下高粘附性,研究人员首先制备了一种水下黏附性聚合物,即将黏附性多巴胺分子与疏水单体聚合制备仿生黏附性线性聚合物;为了实现水下黏附强度的可调节性,又设计制备了一种温度响应性聚合物(聚N-异丙基丙烯酰胺),该聚合物在低于其相转变温度条件下与水分子形成分子间氢键而呈现高度水化状态,在高于其相转变温度时形成分子内氢键而呈现去水化状态。因此,依据水下胶黏剂失效原理,将此种响应性分子覆盖到黏附分子表面。通过调节温度,调节界面处分子的水化与去水化,可以实现水下黏附可逆调控。

为了能够使响应性分子顺利均匀组装到黏性聚合物表面,在上述两种聚合物体系中引入超分子主客体,通过分子识别作用,实现响应性聚合物在黏附性聚合物表面的高效组装。该材料体系的水下黏附强度调节机理如图1所示。通过微/宏观黏附性测试证实,在较高温度下该材料表面具有较高的水性黏附强度,而在室温环境下几乎没有任何黏附。这种高黏附-低黏附强度转变可以实现可逆调节,几乎不损失其水下黏附强度(图2)。

此外,该材料具有如下优点:不受基底材料的限制,在各类材料表面均具有水下黏附强度可逆调控性能;通过增加表面粗糙度即可提升材料黏附强度;通过调节温敏高分子组成改变其最低相转变温度,可实现黏附强度温度转变点的调节等。

相关研究成果以Bio-inspired reversible underwater adhesive为题,发表在Nature Communications上,研究工作得到了国家自然科学基金委、香港研究基金会、国家重点研发计划、中科院、深圳科技局及香港城市大学等的支持。(生物谷Bioon.com)

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