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    西安交大盧同慶教授課題組《AFM》:軟濕材料強韌粘接的一種通用策略
    2020-07-17  來源:高分子科技

      將水凝膠與多種異質材料(例如金屬,陶瓷,彈性體,塑料和生物組織)結合在一起對于許多新興技術,例如柔性電子,軟機器人,人機界面,藥物輸送和生物醫學等至關重要。近年來,MIT、哈佛大學等研究團隊在水凝膠軟濕界面粘接領域取得了突破性的進展。但是現有的水凝膠粘接方法仍存在界面預處理復雜、方法局限性大等問題。例如,通過化學鍵進行粘合的方法需要水凝膠或者粘接基底具有特定的官能團,這使得反應條件嚴格、反應耗時、且會用到有毒物質;通過物理拓撲纏繞的方法雖然不需要特定的官能團,但是此方法只適用于有微孔結構的基底,如水凝膠和生物組織。


      針對這一問題,西安交通大學機械結構強度與振動國家重點實驗室、航天航空學院軟機器實驗室研究人員盧同慶教授和高揚副教授提出通用粘接的概念,實現了水凝膠與多種異質材料的強韌粘接。該方法以聚丙烯酸接枝兒茶酚形成的長鏈聚合物作為膠水,簡單方便地使多種水凝膠與多種材料(玻璃、金屬、塑料、彈性體、生物組織)形成有效粘接。


    1、通用粘接方法的基本原理:“縫合-成鍵”策略


    圖1 通用粘接的機理示意圖


      實現通用粘接,無需對水凝膠和粘接基底表面做任何修飾或處理。研究人員提出了將物理拓撲纏繞作用與化學鍵合相結合的“縫合-成鍵”策略。作為膠水的聚合物溶液可以擴散到水凝膠網絡中,帶有特殊官能團的聚合物長鏈在氧化劑的觸發下發生交聯,原位形成的聚合物網絡像“分子縫線”一樣與水凝膠網絡拓撲纏繞在一起,同時聚合物鏈上的官能團可以通過各種相互作用與不同基底材料鍵合在一起(圖1a)。受自然界的貽貝粘接啟發,兒茶酚分子不僅可以自聚合而且可與不同基底粘接,因此提出了將兒茶酚單體接枝在天然高分子長鏈上作為膠水實現通用粘接策略(圖1b)。以PAAM水凝膠為例,研究人員將膠水涂覆在水凝膠表面,靜置數分鐘,待帶有兒茶酚的聚丙烯酸鏈滲透至水凝膠中;隨后滴加一定的氧化劑NaIO4溶液至粘接基底上。氧化劑觸發兒茶酚自聚合,將聚丙烯酸分子鏈交聯成網絡,與水凝膠自身的網絡形成拓撲纏繞,同時聚合物側鏈上的兒茶酚通過不同的相互作用與不同基底(玻璃、金屬、塑料、彈性體、生物組織)連接,從而產生強韌粘接,其粘接能高達200-400 J/m2(圖2)。


    圖2 水凝膠與多種基底材料的界面強韌粘接


    2、通用粘接方法的普適性:適用于多種粘接基底、多種粘接膠水

      研究人員將一系列帶有羧基集團的聚合物長鏈如透明質酸,海藻酸鈉,羧甲基纖維素等作為聚合物膠水,這些聚合物膠水的粘接能依然可達150-400 J/m2(圖3a)。同時,由于通用粘接方法的巧妙粘接機理,使得被這種方法不依賴于水凝膠的官能團,故此可應用到不同類型的水凝膠粘接中(圖3b)。


    圖3 多種水凝膠作為粘接膠水的界面粘接性能


      通用粘接方法具有廣泛的應用前景。除去兒茶酚以外,其他可觸發性自聚合和通用粘接的單體也可被用作一系列的聚合物膠水。簡單通用的粘接方法使得異質材料可通過水凝膠連接在一起,極大的簡化了柔性器件和可穿戴設備中的異質材料組裝問題。此外,通用粘接方法可以實現各種軟硬材料與生物組織的粘接,在醫學和工程應用中具有巨大的潛力。這一方法的推廣有助于滿足許多重要領域中的新需求。


      該研究工作發表于Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202003207)。西安交通大學航天航空學院高揚副教授及碩士研究生陳姣姣為論文共同第一作者,盧同慶教授為論文通訊作者,西安交大機械結構強度與振動國家重點實驗室是論文唯一通訊作者單位。


      文章鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202003207

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