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东华大学武培怡/孙胜童团队《Adv. Mater.》:可剥离硬化的自粘附凝胶
2023-12-17  来源:高分子科技


  粘附材料在密封、柔性电子、软体机器人等领域有着广泛的应用前景。然而,粘附材料往往存在粘附悖论,即微观尺度上两种材料相互吸引,但宏观物体几乎不粘附。这源于材料表面不同尺度的粗糙度,大大减小了接触面积。因而,粘附材料往往需要通过原位固化的方式提高表面浸润以实现强粘附,但这一方式太过依赖固化条件,固化之后也难以脱粘。相比之下,自粘附材料(如压敏胶等)仅通过施加压力实现粘接,也可顺利脱粘,使用极为便捷。但为克服粘附悖论,自粘附材料的模量须小于0.3 MPaDahlquist criterion),否则无法充分浸润被粘物体表面。这导致自粘附材料的粘附强度普遍较低,剥离界面韧性大都不超过2000 J m-2


  东华大学武培怡-孙胜童研究团队近年来致力于智能自粘附凝胶的凝聚态结构设计和功能实现:开发了一种透明、可水下粘接、水下自愈合、可拉伸、可3D打印的含氟离子液体凝胶,可用于制造水下柔性传感器Adv. Mater. 2021, 33, 2008479Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2107226Mater. Horiz. 2021, 8, 2057;通过硫辛酸室温开环聚合合成了一种自适应离子液体凝胶油墨,可用于几乎任意表面的强粘合涂覆Adv. Funct. Mater. 2021, 2101494;利用强弱网络杂化策略,设计制备了兼具应变硬化及耐疲劳性能的粘附离子皮肤材料(Nat. Commun. 2021, 12, 4082Nat. Commun. 2022, 13, 4411)。


  近期,该团队注意到,自粘附材料的粘附和剥离过程往往发生在不同的频率或应变速率。因而,如果将自粘附材料的流变行为调整至对频率极为敏感的耗散态-玻璃态转变区,原则上可利用低频耗散态的低模量实现材料表面充分浸润,而高频剥离过程切换至玻璃态,实现强粘附。


  基于此,该团队开发了一种可剥离硬化的自粘附离子液体凝胶材料。其中,共聚组分P[DMAEA-Q-TFSI]PDMA均与离子液体(EMI ES)相容,但带电P[DMAEA-Q-TFSI]相容性明显高于PDMA。低频准静态下,凝胶结构均一,处于柔软耗散态(模量0.29 MPa),而高频剥离诱发相容性较低的PDMA组分发生微相分离,促使凝胶迅速切换为强韧玻璃态(模量34.2 MPa),模量提升幅度达117倍,由此带来的界面韧性高达8046 ± 582 J m-2。此外,该自粘附离子液体凝胶还兼具优异的可拉伸性、高透明度、自修复、可回收及按需脱粘能力。


1. 剥离硬化离子液体凝胶的工作原理及分子设计


  作者首先优化了体系中各组分含量对粘附性能的影响。研究发现,当共聚比例为1:1,离子液体含量为15 wt%时,体系表现出最大的断裂韧性和粘附性能。准静态条件下(频率0.01 Hz),凝胶处于类液体耗散态,损耗因子高达2.1 


2. 剥离硬化离子液体凝胶的优化制备


  离子液体凝胶在低频下的耗散状态使其具有极高的应力松弛行为,可在压力作用下充分浸润被粘物体的粗糙表面并耗散界面能量。时温叠加流变分析验证了凝胶流变行为的频率敏感性,这也使得材料在不同拉伸速率下表现出截然不同的应力-应变曲线。相应地,如果采用不同的剥离速度,凝胶界面韧性也发生急剧变化,并在常见的50 mm min-1剥离速度下达到最大值。 


3. 离子液体凝胶的界面适应性和剥离硬化响应。


  作者进一步分析了凝胶剥离硬化响应的分子水平机制。AFMSAXS二维相关红外光谱表征表明,材料发生高应变速率变形时,PDMA共聚组分与P[DMAEA-Q-TFSI]/EMI ES基质的相容性变差,从而迅速自发聚集发生微相分离。这一微相分离不仅提高了体系的整体交联密度,也有效阻止了剥离过程中产生的裂纹扩展,从而大幅提高了材料的界面韧性。 


4. 离子液体凝胶的剥离-硬化响应机制分析


  此外,该离子液体凝胶的超分子动态特性还带来了自修复、可回收按需脱粘的优异特性。作者最后通过智能夹胶玻璃展示了这一自粘附凝胶的应用潜力。基于凝胶的夹胶玻璃不仅具有良好的抗冲击防护能力,还可智能监测冲击事件。 


5. 剥离硬化离子液体凝胶的自修复、回收、脱粘以及智能冲击防护性能。


  以上研究成果近期以“Peeling-Stiffening Self-Adhesive Ionogel with Superhigh Interfacial Toughness”为题,发表在《Advanced Materials》(DOI: 10.1002/adma.202310576)上。东华大学化学与化工学院博士研究生时英坤为文章第一作者,孙胜童研究员和武培怡教授为论文共同通讯作者。


  该研究工作得到了国家自然科学基金重大、国际(地区)合作与交流、优青、面上项目等的资助与支持。德国于利希中子散射中心(JCNS吴宝虎博士也参与了该研究。


  论文链接:https://doi.org/10.1002/adma.202310576

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(责任编辑:xu)
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