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从室温到-196℃!北京大学AM:仿蜘蛛丝无溶剂胶粘剂实现极端环境高强粘接

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胶粘剂在建筑、电子和航空航天等领域不可或缺,但随着火星、极地、高海拔和海洋工程等应用场景扩展,耐受超低温、水、酸碱盐及有机溶剂的胶粘剂需求日益迫切。商用热熔胶如EVA、PA和PUR在低温下易因体积收缩发生脆性断裂;现有多金属氧酸盐和聚乙二醇基超低温胶粘剂虽可达2.3 MPa,却因组分亲水而耐水性不足;有机合成和蛋白工程制备的高性能胶粘剂又因工艺复杂、成本高难以规模化。蜘蛛丝在寒冷环境中仍保持强度、柔性和粘弹性,其刚性β-片晶提供承载能力,非晶区通过动态非共价相互作用促进应力重分配和能量耗散,疏水残基和密集超分子网络则赋予潮湿水环境耐久性。因此,模仿蜘蛛丝结构,在结晶度与疏水超分子相互作用之间取得平衡,是制备同时耐受超低温和液体环境胶粘剂的关键思路。

受此启发,北京大学阎云研究员、高水涛博士报道了一种由单宁酸(TA)和聚ε-己内酯(PCL)组成的无溶剂超分子胶粘剂,通过低成本、可规模化制造获得。理论结合实验揭示了结晶度调控对粘接性能的关键作用:该胶粘剂在25°C下强度高达8.5 MPa,在−196°C下达到6.6 MPa,优于现有商用热熔胶,并在酸性、碱性和盐性水下环境及有机溶剂中表现显著稳定性。该工作为极端条件胶粘剂建立了仿生设计范式,也为超分子材料规模化生产和实际应用铺平道路。相关论文以“Supramolecular Adhesives with Tunable Crystallinity for Extreme Environments”为题,发表在Advanced Materials上。



示意图1 TA/PCL超分子胶粘剂的制备。a 单宁酸(TA)和聚ε-己内酯(PCL)的分子结构,以及无溶剂热熔胶示意图;优异粘附源于半结晶PCL域(内聚)与动态TA介导氢键网络(能量耗散)之间的协同平衡。b 与商用胶枪兼容的独立TA/PCL胶棒照片,便于应用。c 胶粘剂对多种苛刻环境条件稳健性的示意图。d 水下打印照片。e 模具辅助制备3D物体。

研究没有依赖复杂有机合成或蛋白工程,而是将天然多酚TA与半结晶聚酯PCL在80°C下无溶剂热共混,并通过TA羟基供体与PCL酯基氧受体的位点摩尔比调节配比,使TA与PCL之间的氢键竞争PCL链有序化,从而抑制过度结晶(方案1a–1e)。制备与表征结果进一步表明,所得胶粘剂为均一非孔结构,软非晶域与刚性结晶域空间共存;变温FTIR证实TA与PCL之间存在氢键,DSC显示Tg随PCL比例增加而降低、有利于低温柔性,WAXS则显示随TA比例增加,PCL结晶受到抑制、非晶区和氢键网络扩展(图1b–1h)。这种微观结构演变使材料在柔软性与刚性之间可调,为后续粘接性能优化提供了结构基础。


图1TAX/PCLY胶粘剂的制备与表征。注:除非另有说明,TA1/PCL3为代表性示例。a 无溶剂热共混过程示意图。b 均一胶粘剂基体的截面SEM图像。c 变温FTIR(VT-FTIR)谱展示氢键动力学。d 比较TA1/PCL5、TA1/PCL3和TA1/PCL1.5胶粘剂物理外观的宏观照片。e–g 差示扫描量热(DSC)热分析图显示热转变。h 广角X射线散射(WAXS)图表明结晶度变化。i TA1/PCL5、TA1/PCL3和TA1/PCL1.5体系微观结构演变示意图。

在室温粘接与耐久性方面,优选配比TA1/PCL3在玻璃上达到8.5 MPa的最高搭接剪切强度,并可粘接玻璃、木材、金属、橡胶和塑料等多种基底;偏离最优配比则强度显著下降。失效分析表明,TA1/PCL3在内聚与界面粘附之间取得平衡,呈混合模式失效,而低PCL含量倾向内聚失效、高PCL含量倾向界面失效,说明粘接由PCL结晶增强的体相内聚与TA介导的界面相互作用共同决定(图2b–2d)。宏观演示中,72 kg成年人可由两块仅5 cm²重叠面积的粘接玻璃板悬挂,理论上该接头可承受约425 kg;该热塑性胶粘剂还可用于空气及水下挤出打印和模具成型。更关键的是,TA1/PCL3在乙醇、正己烷、CCl₄、DMSO以及1 M HCl、1 M NaOH、饱和NaCl中浸泡24 h后仍保持粘接强度,而商用EVA在CCl₄中因溶胀溶解而失效(图2e、2f)。


图2TAX/PCLY超分子胶粘剂的粘接性能和耐久性。a 光学照片展示TA1/PCL3对多种基底(包括玻璃、木材、金属和塑料)的粘接。b TA1/PCL3在各种基底上的定量搭接剪切粘接强度。c TAX/PCLY胶粘剂在玻璃上组成依赖的粘接强度。d 脱粘后玻璃基底上失效模式的代表性图像;虚线包围区域突出胶粘剂残留,以区分内聚失效和界面失效。e 承载能力宏观演示:一名72 kg成年人由两块玻璃板(重叠面积5 cm²)用TA1/PCL3粘接后悬挂。f TA1/PCL3在玻璃上于各种水溶液和有机溶剂中浸泡24 h后的粘接强度保持率。

在液体环境快速密封方面,TA1/PCL3接触水或有机溶剂时能立即粘附并迅速固化,因而可用于紧急泄漏修复:其在50°C熔化为高粘流体后涂于铝箔,接触室温容器和液体后快速冷却,60 s内完成密封;还能瞬间密封1.6 m水柱喷水的孔洞,承受相当于正常人收缩压(约120 mmHg)的静水压(图3a–3d)。该胶粘剂在37°C下保持固体不流动、约42°C熔融,处于与人体组织接触的安全范围;在猪皮上可承载100 g,2 min即时搭接剪切强度为5.9 kPa,显示其作为快速止血组织密封剂和工业即时密封材料的潜力。


图3TAX/PCLY胶粘剂在液体环境中的快速粘接和密封能力。演示TA1/PCL3接触a水和b有机溶剂时立即粘附,显示立即固化。c 紧急泄漏修复演示:涂在铝箔上的TA1/PCL3成功密封泄漏容器。d 爆破压力测试:铝箔上用TA1/PCL3密封的孔承受来自1.6 m水柱的静水压,相当于正常人收缩压(约120 mmHg)。

超低温性能是这项工作的核心亮点。TA1/PCL3在−196°C处理24 h后粘接强度为6.6 MPa,液氮储存180天后仍保持6.2 MPa;相比之下,TA1/PCL1.5发生脆性断裂,TA1/PCL5仅3.6 MPa,纯PCL和商用EVA完全失效(图4a、4b)。低温流变、原位FTIR/WAXS和液氮承载演示进一步表明,TA1/PCL3在−110°C至−30°C宽温区内模量近乎恒定;原位FT-IR(−146°C至13°C)和WAXS(−140°C至20°C)谱图变化可忽略,说明分子相互作用和链间距在该宽温区几乎不变,粘接玻璃板在液氮中浸泡3天后仍保持完整和承载能力(图4c–4f)。基准比较显示,其综合性能优于商用EVA和此前报道的先进胶粘剂(图4g)。


图4TAX/PCLY胶粘剂在超低温下的粘接性能和结构稳定性。a TAX/PCLY、纯PCL和商用EVA在−196°C处理24 h后在玻璃基底上的搭接剪切粘接强度。b 光学图像显示相同低温处理后粘接接头的完整性;注意PCL和EVA对照失效。c TAX/PCLY在−110°C至−30°C范围内测量的温度依赖流变性能。d TA1/PCL3在−146°C至13°C温度范围内采集的原位FT-IR光谱。e TA1/PCL3从−140°C至20°C采集的原位WAXS图。f TA1/PCL3粘接玻璃板在液氮中浸泡3天后的宏观承载演示。g TA1/PCL3粘接强度与商用EVA及文献报道先进胶粘剂的基准比较。

机理计算为上述表现提供了分子层面解释。FTIR峰解卷积显示,PCL引入后TA酚羟基与羰基之间的氢键比例提高,O–H峰向低波数移动,表明氢键网络增强。DFT计算显示TA羟基与PCL酯羰基之间存在强氢键,结合能为−43.6 kJ·mol⁻¹;MD模拟表明TA与PCL链间形成广泛氢键网络,且−196°C下相互作用能和氢键比例与25°C几乎不变(图5a、5b)。不同配比的模拟进一步揭示,含PCL结晶域的TA1/PCL3和TA1/PCL6在25°C与−196°C间结晶状态差异可忽略,而缺乏结晶域的TA1/PCL1.5在冷冻时发生剧烈结构变化;PCL结晶域作为结构框架维持超低温完整性,TA羟基则主要负责界面粘接(图5c)。


图5对TA/PCL胶粘剂分子相互作用和结构稳定性的计算洞察。a DFT计算的TA与PCL之间的氢键。b MD模拟的代表性快照,展示TA与PCL链之间广泛的氢键网络(虚线)。c 25°C和−196°C下平衡TA1/PCL1.5、TA1/PCL3和TA1/PCL6体系的比较快照,展示结晶度在超低温下维持结构完整性中的作用。

该研究通过TA与PCL的简便无溶剂热复合,以结晶度调控实现内聚与界面粘附的协同平衡,使TA1/PCL3在常温8.5 MPa和−196°C超低温6.6 MPa下均实现高强粘接,并在水、有机溶剂和腐蚀环境中保持稳定,优于商用胶粘剂和多数此前报道体系。PCL结晶域提供内聚和刚性,TA介导氢键网络促进应力耗散和稳健界面粘附,得到理论与实验联合验证。该工作建立了高性能胶粘剂的仿生设计新范式,深化了对超分子体系结构—性能关系的理解,并拓展了此类材料在航空航天、极地探索和海洋防腐粘接中的应用前景。

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