|
东南大学刘加平，孙正明，章炜Materials Horizons：水泥搅拌水凝胶，解锁水下粘附新技能
粘合剂在日常生活中十分常见，尤其是以502胶水为代表的高分子粘合剂已经成为生活生产中难以取代的一类重要辅助材料。一般来说，传统粘合剂只能用于干燥环境下的基材粘接，而在潮湿或水下环境中非常容易粘合失效。当水分子进入粘合界面并形成水膜时，粘合剂与基材之间的直接接触被严重限制，造成粘合剂的表面能降低，进而导致粘合剂与基材之间粘接强度明显降低或完全不能粘接。考虑到生物工程、海洋工程和医学工程等领域应用的强烈需求，开发水下强粘合材料一直是研究热点。
目前，尽管以儿茶酚基团为主要结构的水下粘合剂的开发已经取得了进展，然而仍存在许多关键性挑战亟待研究和解决。这类粘合剂的粘合过程往往要求特定的配合比设计和反应环境，而且粘合效果容易因环境的氧化介质作用而劣化，大大限制了其在实际工程中的应用。东南大学材料科学与工程学院在Materials Horizons发表了题为“Hydrogel networks as underwater contact adhesives for different surfaces”的研究论文，冯攀博士和叶少雄博士研究生为共同第一作者，刘加平教授，孙正明教授和章炜副教授为共同通讯作者。这项工作介绍了一种可以在水下稳健粘合多种基材的纳米晶增强水凝胶复合材料，具有制备工艺简单、粘接强度在服役过程中不断强化的特点。在这项工作中，选用聚丙酰胺水凝胶作为水下粘合剂的基底，利用水泥矿物水化消耗水和产生纳米晶的特点来强化水凝胶和保障水下强粘合。水凝胶复合材料的制备和基材粘合十分简单便捷，可以概括为将原材料配制成均匀浆体并在在水下环境原位浇筑于基材表面后，界面存在的水层在交联过程中会因基材间水凝胶的吸收和膨胀挤出而消失，而且水泥矿物水化快速消耗水和产生纳米晶体，加速了水凝胶网络的形成和强化，从而实现粘合材料与基材表面的牢靠稳健粘合。 这项工作中使用的聚丙烯酰胺水凝胶是一类具有多孔网络结构的高分子材料（Fig. 2c），水泥矿物水化产生的大量晶体（Fig. 2a）使得水凝胶复合材料的网络结构（Fig. 2b）和力学性能（Fig. 2e-f）都得到了明显强化。 一旦牢固粘合后，水凝胶复合材料中的纳米晶体与基体之间的紧密耦合（Fig. 3b）是粘合剂与基体紧密粘合和具有高粘接强度的重要来源（Fig. 3a）。界面处的扫描电镜图片（Fig. 3c）和三维X射线显微形貌（Fig. 3d）都显示了粘合剂与基材的紧密粘合。Fig. 3e 展示了水凝胶复合材料对于5种不同基材的水下粘接强度，发现陶瓷基材所对应的粘接强度最高（接近4MPa），金属基材所对应的粘接强度略低，木材和玻璃基材所对应的粘接强度都可以超过1MPa，而聚四氟乙烯基材所对应的粘接强度最低，但也可以超过300kPa。值得注意的是，由于水泥矿物的持续水化，水凝胶复合材料与基材之间的粘合可以在服役过程中得到持续的强化（Fig. 3g）。 当将这项工作测得的粘接强度数据与已有文献对比后，可以明显发现所制备的水凝胶复合材料对5种基材的粘接强度基本都超过了文献数据，尤其是对陶瓷、木材和玻璃基材的粘接强度都远远超过了已有文献报道（Fig. 4a）。最后，这项工作还对比了几种商用胶水的水下粘接强度发展规律，可见与商业胶水服役过程中不断劣化的规律相反，水凝胶复合材料的粘接强度在7天内持续增强，极大地促进了水下强粘合剂的使用寿命。 这篇文章从材料设计的角度充分结合和发挥了水凝胶多孔网络结构和水泥矿物水化反应增强的特性，构筑了新型水下粘合材料。材料制备和应用简单便捷，可以与多种基材在水下环境实现强粘合。此外，水泥矿物的持续水化不断增强水凝胶网络和提高粘接强度，克服商业胶水服役过程中粘接效果劣化的问题，实现水下长久稳健的基材粘接。
|
