粘結(jié)作為人類歷史上最古老、最經(jīng)久不衰的技術(shù)之一，對我們的日常生產(chǎn)和生活產(chǎn)生了巨大的影響。與釘子和螺絲相比，粘結(jié)劑僅通過界面的相互作用就能實現(xiàn)材料的拼接和修復(fù)，最大程度地降低了材料的附加重量，保持了材料的完整性。粘結(jié)劑的黏附性能主要取決于兩個方面：內(nèi)聚力和界面粘附力。高內(nèi)聚力確保粘結(jié)劑本身的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，而高粘附力則確保粘結(jié)劑能夠牢固地黏附到被粘物表面。然而，如何平衡兩者之間的關(guān)系，開發(fā)一類同時增強(qiáng)界面粘附力和內(nèi)聚力的粘結(jié)劑體系仍然是該領(lǐng)域重大的挑戰(zhàn)。 近日，上海交通大學(xué)顏徐州團(tuán)隊報道了一種基于[an]雛菊鏈的機(jī)械互鎖聚合物粘合劑（Mechanically interlocked [an]daisy chain network, DCMIN），通過機(jī)械鍵和四重氫鍵的正交整合，在單一體系中同時實現(xiàn)了界面粘附力和內(nèi)聚力的協(xié)同增強(qiáng)（圖1）。
圖1 粘結(jié)劑的作用機(jī)制和機(jī)械互鎖[an]雛菊鏈粘結(jié)劑設(shè)計原則 與其他粘結(jié)劑結(jié)構(gòu)不同，DCMIN的主鏈由機(jī)械互鎖的[an]雛菊鏈組成，在外力作用下，連續(xù)的機(jī)械鍵協(xié)同運動能夠有效地釋放應(yīng)力和耗散能量，從而提高粘結(jié)劑的內(nèi)聚力和韌性。此外，具有高鍵合常數(shù)的四重氫鍵作用不僅保證了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時確保粘結(jié)劑與基材表面形成強(qiáng)的粘附力。 圖2 機(jī)械互鎖[an]雛菊鏈粘結(jié)劑與不同材料的粘接性能 在不借助任何有機(jī)溶劑或復(fù)雜的再固化程序下，DCMIN可以比較容易地黏附在不同粘結(jié)基板的表面。同時，由1 mg DCMIN構(gòu)筑的粘結(jié)面積約為2.0 cm2的搭接銅片可以輕松地提取約30kg的啞鈴。在搭接剪切試驗中，與對照聚合物和代表性的商業(yè)熱熔膠相比，DCMIN在黃銅、不銹鋼、鋁和玻璃等材質(zhì)表面表現(xiàn)出較明顯的性能優(yōu)勢。對于聚合物材料表面的粘結(jié)，DCMIN也表現(xiàn)出與商用的熱熔膠相當(dāng)?shù)男阅埽▓D2）。 圖3機(jī)械互鎖[an]雛菊鏈粘結(jié)劑的性能起源與構(gòu)效關(guān)系理解 在高溫的粘附測試中，DCMIN的粘結(jié)強(qiáng)度隨著溫度的升高出現(xiàn)先增加后降低的趨勢，并在70 °C時表現(xiàn)出最佳的性能。盡管對照聚合物的粘結(jié)強(qiáng)度也表現(xiàn)出類似的趨勢，但是其在各個溫度下的粘結(jié)強(qiáng)度均低于DCMIN。70 °C的搭接剪切力-位移曲線進(jìn)一步展示了DCMIN具有更好的韌性，即更高的粘附力和粘附功。流變測試發(fā)現(xiàn)，DCMIN的性能優(yōu)勢來源于連續(xù)機(jī)械鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)兼具動態(tài)性與穩(wěn)定性的特點。 在該工作中，顏徐州團(tuán)隊將具有獨特能量耗散機(jī)制的機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)應(yīng)用于粘結(jié)劑內(nèi)聚力和韌性的提升，并取得了良好效果。作者預(yù)期，本文提出的強(qiáng)韌膠粘劑的設(shè)計策略和增強(qiáng)機(jī)制對于促進(jìn)具有獨特應(yīng)用場景的先進(jìn)膠粘劑材料的開發(fā)具有一定的啟發(fā)作用。 論文信息 Mechanically Interlocked [an]Daisy Chain Adhesives with Simultaneously Enhanced Interfacial Adhesion and Cohesion Dr. Yongming Wang, Guoquan Liu, Dr. Jun Zhao, Dr. Zhaoming Zhang, Hao Zhang, Yi Ding, Dr. Xinhai Zhang, Zhu Liu, Prof. Wei Yu, Prof. Xuzhou Yan Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202409705
