粘合劑在日常生活中十分常見，尤其是以502膠水為代表的高分子粘合劑已經成為生活生產中難以取代的一類重要輔助材料。一般來說，傳統粘合劑只能用于干燥環(huán)境下的基材粘接，而在潮濕或水下環(huán)境中非常容易粘合失效。當水分子進入粘合界面并形成水膜時，粘合劑與基材之間的直接接觸被嚴重限制，造成粘合劑的表面能降低，進而導致粘合劑與基材之間粘接強度明顯降低或完全不能粘接。考慮到生物工程、海洋工程和醫(yī)學工程等領域應用的強烈需求，開發(fā)水下強粘合材料一直是研究熱點。
目前，盡管以兒茶酚基團為主要結構的水下粘合劑的開發(fā)已經取得了進展，然而仍存在許多關鍵性挑戰(zhàn)亟待研究和解決。這類粘合劑的粘合過程往往要求特定的配合比設計和反應環(huán)境，而且粘合效果容易因環(huán)境的氧化介質作用而劣化，大大限制了其在實際工程中的應用。東南大學材料科學與工程學院在Materials Horizons發(fā)表了題為“Hydrogel networks asunderwater contact adhesives for different surfaces”的研究論文，馮攀博士和葉少雄博士研究生為共同第一作者，劉加平教授，孫正明教授和章煒副教授為共同通訊作者。
這項工作介紹了一種可以在水下穩(wěn)健粘合多種基材的納米晶增強水凝膠復合材料，具有制備工藝簡單、粘接強度在服役過程中不斷強化的特點。在這項工作中，選用聚丙酰胺水凝膠作為水下粘合劑的基底，利用水泥礦物水化消耗水和產生納米晶的特點來強化水凝膠和保障水下強粘合。
圖文導讀
水凝膠復合材料的制備和基材粘合十分簡單便捷，可以概括為將原材料配制成均勻漿體并在在水下環(huán)境原位澆筑于基材表面后，界面存在的水層在交聯過程中會因基材間水凝膠的吸收和膨脹擠出而消失，而且水泥礦物水化快速消耗水和產生納米晶體，加速了水凝膠網絡的形成和強化，從而實現粘合材料與基材表面的牢靠穩(wěn)健粘合。
這項工作中使用的聚丙烯酰胺水凝膠是一類具有多孔網絡結構的高分子材料（Fig. 2c），水泥礦物水化產生的大量晶體（Fig. 2a）使得水凝膠復合材料的網絡結構（Fig. 2b）和力學性能（Fig. 2e-f）都得到了明顯強化。
一旦牢固粘合后，水凝膠復合材料中的納米晶體與基體之間的緊密耦合（Fig. 3b）是粘合劑與基體緊密粘合和具有高粘接強度的重要來源（Fig. 3a）。界面處的掃描電鏡圖片（Fig. 3c）和三維X射線顯微形貌（Fig.3d）都顯示了粘合劑與基材的緊密粘合。Fig. 3e 展示了水凝膠復合材料對于5種不同基材的水下粘接強度，發(fā)現陶瓷基材所對應的粘接強度最高（接近4MPa），金屬基材所對應的粘接強度略低，木材和玻璃基材所對應的粘接強度都可以超過1MPa，而聚四氟乙烯基材所對應的粘接強度最低，但也可以超過300kPa。值得注意的是，由于水泥礦物的持續(xù)水化，水凝膠復合材料與基材之間的粘合可以在服役過程中得到持續(xù)的強化（Fig. 3g）。
當將這項工作測得的粘接強度數據與已有文獻對比后，可以明顯發(fā)現所制備的水凝膠復合材料對5種基材的粘接強度基本都超過了文獻數據，尤其是對陶瓷、木材和玻璃基材的粘接強度都遠遠超過了已有文獻報道（Fig. 4a）。最后，這項工作還對比了幾種商用膠水的水下粘接強度發(fā)展規(guī)律，可見與商業(yè)膠水服役過程中不斷劣化的規(guī)律相反，水凝膠復合材料的粘接強度在7天內持續(xù)增強，極大地促進了水下強粘合劑的使用壽命。
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Fig. 4（a）與現有文獻報道的基材水下粘接強度的對比、（b）水凝膠復合材料與商業(yè)粘合材料對于鋁材的水下粘接強度發(fā)展對比。
小結
這篇文章從材料設計的角度充分結合和發(fā)揮了水凝膠多孔網絡結構和水泥礦物水化反應增強的特性，構筑了新型水下粘合材料。材料制備和應用簡單便捷，可以與多種基材在水下環(huán)境實現強粘合。此外，水泥礦物的持續(xù)水化不斷增強水凝膠網絡和提高粘接強度，克服商業(yè)膠水服役過程中粘接效果劣化的問題，實現水下長久穩(wěn)健的基材粘接。
原文鏈接
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/mh/d0mh00176g#!divAbstract
