科研進(jìn)展
蘭州化物所水下黏附研究獲新進(jìn)展
濕黏附在機(jī)械工程、海洋技術(shù)和醫(yī)療科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。然而，在固-固界面含水粘接過程中，水分子的存在極易導(dǎo)致粘合失效，這主要是因為界面水阻礙了膠黏劑與基材之間的接觸和分子間相互作用的形成。對于界面水的去除，研究人員已進(jìn)行了各種嘗試，如界面吸水、疏水排斥和擠壓，但這些方法并不能實現(xiàn)界面水的完全去除，很難保證界面的高性能黏附。
近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點實驗室周峰研究員團(tuán)隊，提出了基于物理化學(xué)耦合的多尺度深度去水化機(jī)制，并基于該機(jī)制發(fā)展了一種水下自適應(yīng)增強(qiáng)的膠黏劑（SLU-adhesive），實現(xiàn)了苛刻環(huán)境下（高/低pH、海水）牢固的水下粘接（1600 kPa），在水下固沙、水下修復(fù)和黏附失效檢測方面獲得了應(yīng)用驗證。
圖1 水下膠黏劑去水化過程及自適應(yīng)黏附示意圖
以上工作中物理化學(xué)耦合的多尺度去水化機(jī)制包括憑借優(yōu)異的潤濕性實現(xiàn)在毫米尺度對界面水的物理替代；通過膠黏劑中異氰酸酯片段與水的化學(xué)反應(yīng)而形成的氣膜，實現(xiàn)在微米尺度對界面水的物理屏蔽；在分子尺度實現(xiàn)對界面結(jié)合水的消耗。SLU-adhesive這一系列瞬時自發(fā)的接觸、鋪展、潤濕和凝膠化過程實現(xiàn)了對基底表面的牢固粘接。
圖2 SLU-adhesive水下動態(tài)浸潤和黏附過程
圖3 氣膜去除界面水的動態(tài)過程
SLU-adhesive表現(xiàn)出優(yōu)異的水下黏附性能和廣泛的基材適用性，在淡水、海水和不同pH水體環(huán)境（pH=3至11）中，均實現(xiàn)了從無機(jī)到有機(jī)材料表面的高性能黏附，其峰值超過1600kPa。良好的黏附性能和無外界能量輸入的自適應(yīng)增強(qiáng)特性，使SLU-adhesive在水下固沙、水下修復(fù)甚至黏附故障檢測方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。
圖4 SLU-adhesive的黏附性能
圖5 SLU-adhesive應(yīng)用驗證
研究人員針對固-固黏附過程中界面水對水下黏附的影響機(jī)制研究，提出了一種物理化學(xué)耦合的多尺度去水機(jī)制，實現(xiàn)了黏附界面水的深度去除，屏蔽了水對界面黏附的影響，配合膠黏劑的自適應(yīng)凝膠化，獲得了水下的高強(qiáng)度黏附。該物理和化學(xué)耦合的多尺度深度去水化機(jī)制對水下黏附材料的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。
相關(guān)研究成果以“Water-assisted strong underwater adhesion via interfacial water removal and self-adaptive gelation”為題發(fā)表在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) (10.1073/pnas.2301364120)上。蘭州化物所博士生秦晨曦為論文第一作者，馬延飛助理研究員、賀曦敏教授和周峰研究員為通訊作者。
以上工作得到了國家自然科學(xué)基金委、國家重點研發(fā)計劃和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）等項目的支持。
