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高耐溶劑性：解決界面潤濕與內聚能的矛盾

高耐溶劑性：解決界面潤濕與內聚能的矛盾

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視頻說明

長期以來，新型膠粘劑的設計一直受到內聚作用和界面粘附作用之間難以平衡的限制。通常，膠粘劑的內聚力關聯(lián)其機械性能和粘彈性，而其界面粘附力則主要由膠粘劑與特定基底表面的相容性決定。雖然在膠粘劑分子鏈之間通過共價或非共價相互作用交聯(lián)被認為是增強內聚作用強度的有效方法，但在大多數情況下，這些相互作用會嚴重限制分子鏈在粘附操作過程中的運動能力，從而導致膠粘劑對被粘材料表面的浸潤和界面粘附作用顯著下降，從而惡化粘附性能。

也就是說，若要膠水擁有好的界面潤濕能力，其內聚能往往有所犧牲；若要提高膠水的內聚能，其與界面的潤濕能力又會有所下降。

既要高的內聚能，又要好的界面潤濕能力，難道就真的做不到了？

此科研團隊從自然界里找到了答案。

海邊巖石上的貽貝就是一個很好的例子，該生物體通過分泌低分子量、高流動性的粘附蛋白在被粘材料表面形成充分的界面相互作用，然后通過固化交聯(lián)來增強內聚力，最終形成強大的宏觀粘附力。

受自然粘附現(xiàn)象啟發(fā)，此科研團隊推出了一種新技術：在施膠時，用的是單體離子液體水性膠（由兩種單體與水混合而成），通過熱處理方式進行原位自發(fā)聚合，最終實現(xiàn)超強粘附效果。

施膠工藝如上圖所示：



先把這種特殊的離子液體水性膠分別涂覆在將要被粘接的兩塊基材表面，接著110C條件下熱處理6小時（此過程中，水會蒸發(fā)掉、單體發(fā)生自聚反應，水性膠從液體轉變?yōu)椴痪哂姓承缘墓虘B(tài)），然后通過熱壓的方式（110C,30min）將兩塊基材粘接在一塊。

粘附性能測試顯示，即使粘附面積只有1 cm2的陶瓷基底也能夠輕易地懸掛起52 kg的重物，不會出現(xiàn)脫落。





在陶瓷、環(huán)氧樹脂（EP）、不銹鋼（SS）和鋁（Al）上的平均粘附強度分別能夠達到15.6、12.5、9.8和9.0 MPa。此外，該膠粘劑固化后，還具有很好的有機溶劑耐受性，能夠在多種常見的有機溶劑中持久有效。一方面，對于固化后的膠體本身，即使經過長時間（1個月）的有機溶劑浸泡，樣品并未表現(xiàn)出明顯的溶脹或溶解。
另一方面，粘附性能測試也發(fā)現(xiàn)了長時間的有機溶劑浸泡過程對固化后膠水的粘附性能影響非常小，如下圖所示




例如，將粘接好的陶瓷基底浸泡在DCM中1個月后，其粘附強度仍能保持在12.8 MPa，維持在初始粘附強度的82.1%。相比之下，商業(yè)化膠粘劑，如氰基丙烯酸酯基膠粘劑（3M PR100）和雙組分丙烯酸基膠粘劑（3M DP8005）在DCM中浸泡24 h后會出現(xiàn)明顯的溶脹和粘附失效現(xiàn)象。
看到這里，想必不少人開始按耐不住，這個由單體混合物組成的離子液體水性膠到底是什么玩意兒？
當魔術沒有解密時，一切高深莫測；然而，當知道真相之后，不少人都會情不自禁發(fā)出感慨，原來一切高大上可以這么簡單！
這個離子液體水性膠也是一個道理，從成分角度來看，它簡單地不能再簡單了。
只需將等摩爾量的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸AMPS和醇胺（例如乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺）共同溶解于去離子水中，然后在室溫下不斷攪拌反應5 h以上，最終得到濃度為1 M/L的目標產品——離子液體水性膠。
為什么這個由單體混合物組成的離子液體水性膠可以提供如此優(yōu)異的粘接性能呢？

第一，離子液體水性膠完全由單體混合物組成，對界面潤濕性極佳。

第二，AMPS可以在110C條件下發(fā)生自聚反應，形成高分子鏈段，從而提供了膠水基本需求的內聚能。




第三，加入了醇胺這一成分，同時所選擇的可以自聚反應單體AMPS帶有磺酸基團，兩者之間可以發(fā)生酸堿反應。

科研工作者認為，醇胺分子在固化后的材料內部形成氫鍵交聯(lián)網絡方面起到了重要作用。醇胺分子的存在除了能夠大幅增強氫鍵相互作用，還能與有機酸聚合物主鏈發(fā)生酸堿反應，誘導其去質子化。分子間相互作用位點越多，鏈間作用強度將進一步增強，更有助于獲得高內聚作用。

最后需要指出的是，此研究工作所用的施膠工藝可能不適用于目前工業(yè)中大部分實際應用，但是基于該離子液體水性膠的特性與固化條件，還是可以根據實際應用的需求來優(yōu)化其施膠工藝流程，從而發(fā)揮該新型水性膠的特色。
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