一种粘合强度超过10MPa的超强水下粘合剂

高分子科学前沿发布时间: 2022-10-11

虽然传统粘合剂如氰基丙烯酸酯、环氧树脂和聚氨酯在干燥环境中使用效果很好，但在水下的性能不佳。之前，日本东京大学研究人员设计了一种粘合强度超过10MPa的超强水下粘合剂，粘合强度接近商业干粘合剂。通过系统地研究羟基的数量和位置，阐明了粘合剂粘合性能的内在机理。该研究以“Ultrastrong underwater adhesion on diverse substrates using non-canonical phenolic groups”为题发表在国际顶级期刊《Nature Communications》上。

酚醛聚合物的合成与性能

研究人员合成了2,3,4,5-四甲氧基苯乙烯（TMS）和2,3,4,5,6-五甲氧基苯乙烯（PMS）用于后续聚合。这些单体与苯乙烯（S）的自由基聚合，然后对甲氧基进行去保护，得到非典型酚类共聚物P4HS和P5HS（数字代表羟基数量），随着聚合物分子量的增加，P(4HS-co-S)和P(5HS-co-S)的粘附强度由3.4MPa增加到6.0MPa。尽管两种非典型酚醛聚合物的粘合强度相似，但P(5HS-co-S)的粘合强度分布比P(4HS-co-S)窄，仅在10秒后达到1.4MPa。

羟基取代和空间限制对粘合性能的影响

羟基位置的研究表明，所有P4HS位置的粘附强度都高于所有P3HS位置，而P3HS位置又比所有P2HS位置具有更高的粘附强度。酚醛聚合物中较高数量的羟基在吸附和粘附方面优于仿生聚合物。

酚醛聚合物的主干修饰及可回收性

研究人员进一步修改了TMS和PMS的单体结构以最小化空间位阻并促进粘附，最终获得了聚合物P（4HMA8％-co-S92％）和P（5HMA9％-co-S91％）。P（4HMA8％-co-S92％）的水下粘合强度为10.3MPa，P（5HMA9％-co-S91％）为9.9MPa。不仅如此，P(4HMA8%-co-S92%)在每个表面上都具有优异的粘附强度。当使用6mg的商用粘合剂和P(4HMA8%-co-S92%)时，酚醛聚合物在钢上的性能优于商用水下粘合剂。此外，研究人员还发现只需用丙酮、四氢呋喃、二氯甲烷和乙酸乙酯等常见有机溶剂冲洗或超声处理即可将合成粘合剂从基材上去除。