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    哈佛大學鎖志剛教授課題組:首次提出可拉伸粘接的系統表征方法
    2020-07-28  來源:高分子科技

      一直以來,粘接都被廣泛應用于工程、醫療、日常生活等多個領域。常見的粘合劑包括丙烯酸樹脂、硅膠、聚氨酯、聚醋酸乙烯酯(白膠水)、環氧樹脂、氰基丙烯酸酯(萬能膠)等,它們適用于玻璃、陶瓷、塑料、金屬等不含水的硬材料。在應用時,液態粘合劑浸潤粘接材料間的界面,然后固化形成一層致密的玻璃態高分子層。這一高分子層與粘接材料表面進一步形成致密的非共價相互作用,從而達到強力粘接。由此產生的粘接界面只能承受小變形,在大變形下界面極易斷裂。當粘接物為可拉伸軟材料時,這些傳統的粘接方法極大地限制了材料的可變形范圍并且極易導致軟材料本身的破壞(圖1a)


      與傳統粘接機理不同,可拉伸材料間的粘接可以由連接界面稀疏且強韌的共價鍵實現。這樣粘接的可拉伸軟材料(如橡膠、凝膠等)在受到拉伸時,平行于界面的變形僅僅拉伸共價鍵之間的高分子鏈,而共價鍵不會被破壞;變形結束后,這些高分子鏈與軟材料一同恢復它們的初始構型(圖1b)。粘接材料與界面的共價鍵均保持完整。這樣的粘接界面稱為可拉伸界面。


    圖1. 不可拉伸界面與可拉伸界面。


      除了界面共價鍵之外,還有很多高分子拓撲結構同樣可以達到可拉伸粘接(圖2,[1])。然而,一個基礎問題仍然有待回答:如何系統地表征、研究可拉伸粘接?


      為了回答這個問題,哈佛大學鎖志剛教授課題組首次提出了可拉伸粘接的兩種系統表征方法:(1)對粘接后的材料進行單次或循環預拉伸加載,然后在卸載后測量界面的粘接能,研究其隨加載歷史的變化;(2)對粘接后的材料在拉伸狀態下直接測量界面的粘接能,研究其隨拉伸作用時間、大小的變化。當粘接能不隨材料的加載歷史或拉伸狀態而顯著改變,且粘接后的材料能夠達到要求的可拉伸范圍時,此種粘接方法即為可拉伸粘接。


    圖2. 幾種可實現可拉伸粘接的高分子拓撲結構[1]。


      研究人員將以上的表征方法應用于殼聚糖的拓撲粘接(圖3,[2]),并證明了拓撲粘接為一種可拉伸粘接。研究人員通過實驗證實,無論采取第一種還是第二種表征方法(圖4圖5),殼聚糖拓撲粘接的粘接能在加-卸載后,或不同拉伸狀態下,都能維持在一個較高且穩定的數值,與初始測得的粘接能接近。


    圖3. 殼聚糖拓撲粘接法的機理[2]。


    圖4. 可拉伸粘接的第一種表征方法:對粘接后的材料進行單次或循環預拉伸加載,然后在卸載后測量界面的粘接能,研究其隨加載歷史的變化。


    圖5. 可拉伸粘接的第二種表征方法:對粘接后的材料在拉伸狀態下直接測量界面的粘接能,研究其隨拉伸作用時間、大小的變化。


      研究人員進一步研究了殼聚糖實現可拉伸粘接的力學機制。他們首先把一層殼聚糖溶液涂抹在一層聚丙烯酰胺(PAAm)水凝膠上以形成殼聚糖-水凝膠拓撲粘接的兩層材料結構。當這一兩層結構置于單軸拉伸下,他們清楚地觀察到殼聚糖網絡層隨著拉伸逐漸形成多處橫向裂紋。相應的力-拉伸曲線展現出鋸齒形行為,而這里每個力的下降則表明了每次殼聚糖層的斷裂(圖6)。


    圖6. 殼聚糖層在拉伸下的力學行為。


      盡管這層殼聚糖網絡整體在多處斷裂,其局部未斷裂的網絡依然與兩層水凝膠網絡進行拓撲糾纏,從而保持了整體的強力粘接。當拉伸結束后,這些未斷裂的網絡隨著拉伸回到初始狀態,仍然保持著拓撲糾纏(圖7)。從而,無論是在拉伸或者是卸載狀態下,殼聚糖網絡始終保持著對粘接網絡的拓撲糾纏,粘接能始終保持穩定。


    圖7. 殼聚糖拓撲粘接可拉伸的物理機制。


      隨著可拉伸軟材料的大面積研究與應用,作者呼吁,材料界面粘接的可拉伸性應該作為一項重要的設計理念與指標。作者希望本文提出的可拉伸粘接的表征方法能夠在更多粘接體系下獲得應用,并進一步為界面流變學研究提供幫助。


      該研究工作近期發表于固體力學頂級期刊Extreme Mechanics Letters。楊加偉博士(哈佛大學博士,波士頓兒童醫院、麻省理工學院博士后)和Jason Steck(哈佛大學在讀博士)為文章共同第一作者,白若冰博士(哈佛大學博士,加州理工學院博士后,美國東北大學助理教授)為文章共同作者,鎖志剛教授(哈佛大學教授,美國科學院、工程院院士)為文章通訊作者。


      參考文獻

      [1] Yang, J., Bai, R., Chen, B., & Suo, Z. (2020). Hydrogel adhesion: A supramolecular synergy of chemistry, topology, and mechanics. Advanced Functional Materials, 30(2), 1901693.

      [2] Yang, J., Bai, R., & Suo, Z. (2018). Topological adhesion of wet materials. Advanced Materials, 30(25), 1800671.


      論文信息與鏈接

      Jiawei Yang, Jason Steck, Ruobing Bai, Zhigang Suo, Topological adhesion II. Stretchable adhesion, Extreme Mechanics Letters, Volume 40,2020,100891

      https://doi.org/10.1016/j.eml.2020.100891


    招生信息


      白若冰博士將于2021年1月加入美國東北大學機械與工業工程系擔任助理教授。課題組計劃在固體力學,仿生材料,生物材料,活性軟材料,以及軟體機器人方面做跨學科研究,以理論與實驗相結合為主。目前課題組經費和實驗室空間充足,在波士頓及周邊也已有很多待開展的合作。課題組現招收多名博士研究生,2021年春季或秋季入學。課題組也歡迎各個方向的訪問學生和學者。感興趣的老師、同學可訪問網頁https://sites.google.com/view/ruobingbai/home了解以往的研究工作,或直接郵件聯系 ruobing1220@gmail.com 詢問。


      美國東北大學目前US News全美排名:#31 in Best Graduate Engineering School, #40 in National Universities, and #1 in Best Co-op/Internships。學校科研投入力度大,并和工業界合作緊密。東北大學坐落于波士頓市中心,臨近波士頓大學、麻省理工、哈佛大學、波士頓學院、塔夫茨大學等,非常容易建立聯系。波士頓為美國一流的科技、文化、教育中心,極具包容性,是生活與就業的理想選擇。

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    (責任編輯:xu)
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