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能在水里使用的胶水?水下黏附新技能get!

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发表于 2023-9-19 15:02 | 显示全部楼层 |阅读模式

出品:科普中国

       作者:秦晨曦(中国科学院兰州化学物理研究所)

       监制:中国科普博览

       以前过年时,家里都会用自己熬的面糊(浆糊)来贴春联,但这种方式贴的对联一般不牢靠,一旦受到雨水浸润,非常容易脱落。除了浆糊,日常生活中的黏附材料非常多,如补轮胎的胶水和透明胶带等。在使用过程中,长辈经常会嘱咐我们粘之前要把表面的水擦干净,不然粘不牢。这说明,表面有水会削弱界面黏附,这其实是一种水分子对黏附界面的破坏造成的粘接失效。

       人类的生活离不开黏附,与黏附相关的材料和技术已应用到各行各业,如航天、航空、航海机械工程(涂层黏附、胶黏剂)、智能机器人(可逆黏附和传感装置)、可穿戴设备(电子皮肤)和生物医学(伤口敷料、骨粘连和快速止血)等。然而对于常规的黏附剂而言,一旦在潮湿或含水环境中,都很难保证良好的粘接,这主要是因为胶黏剂与基材之间的水膜阻碍了二者的充分接触和分子间相互作用的形成。因此,去除这层界面水就成为实现超强水下黏附的关键。

       如何去除?迄今为止,研究人员已经发展了多种不同的除水方法,如通过挤压、疏水排斥和吸附。具体而言,研究人员基于表面微纳结构的制造和施加的预紧力来去除界面水和促进界面接触。黏附剂聚合物中的疏水链段具有良好的憎水性,能够通过疏水排斥作用有效去除界面水。此外,使用吸水填料(包括无机物和亲水性聚合物)也能有效去除界面水化膜。然而,单一的物理去水化方式,并不能完全去除界面水,尤其是存在于胶黏剂与基材表面之间水合水,因此很难实现高强度的水下黏附。

       什么方法能有效、彻底去除界面水,保证界面实现良好的黏附呢?


       黏附的应用

       (图片来源:Veer图库)

       近日,中国科学院兰州化学物理研究所周峰研究员团队提出了一种物理和化学耦合的去除界面水膜的方法,该方法包括多个尺度的去水化过程。

       首先,基于黏附胶优异的润湿性实现在毫米尺度对界面水的物理替代;其次,通过胶黏剂中异氰酸酯片段与水的化学反应而形成的气膜,实现在微米尺度对界面水的物理屏蔽;最后,在分子尺度基于化学反应实现对界面结合水的消耗。

       不同于单一的物理去水化方法,这种物理和化学协同的方式能够有效地实现从宏观界面水到微观结合水的去除,保证了黏附胶优异的水下黏附性能。而基于这种方法,研究人员发展了一种湿黏附胶,不同于日常生活中使用的胶水(一旦遇到水立马变成没有粘性的硬质塑料),这种胶能在水下直接使用。

       该湿黏附胶一旦挤涂到被粘物体表面,会迅速地浸润和铺展;与此同时,胶液周围会生成一圈气泡,有助于把表面的水排开,给胶水和黏附界面的充分接触提供了条件;随着时间的增加,湿黏附胶的流动性消失,其内聚能增加,基于前期充分形成的界面接触状态和相互作用,黏附胶将会把两个目标接触面牢牢粘接在一起。该黏附剂具有非常优异的黏附性能,在水中(淡水)黏附强度达到1600kPa,相当于手掌大小的黏附面积,能够挂起1.6吨的重物(相当于一辆普通小轿车的重量)。

       相比淡水,海水组分更加复杂,海水中的盐分和较高的pH对胶黏剂具有极强的破坏作用,极易导致胶黏剂水化、溶解和失效。然而,在海水中该胶黏剂凭借自身官能团对水的惰性、稳定的交联网络和深度去水化机制,依然保持较高的黏附强度和稳定的黏附性能。

       这种黏附胶有什么用呢?在建设海洋强国的大背景下,我国逐渐从“浅蓝”走向“深蓝”。

       胶粘剂广泛应用于不同的水下工程,如船体、水下管路、水下机器人部件中的粘接与密封。然而,在苛刻的海水环境中,粘接界面极易受到海水的侵蚀而失效,这将带来不可估量的损失。因此,怎样及时发现和修复是应对突发状况最重要的环节之一。

       这款可在水下直接作业、深度去水化、高强度黏附,且带有自检测功能的胶黏剂,在水下工程领域具有非常重要的应用。添加碳纳米管的黏附胶具有传感特性,可根据黏附胶自身反馈的导电情况去监测其安全状态,如轮船在航行中突发破损,其黏附材料的电导率将会发生突变,我们可马上采取措施,在破损处进行带水修复。除此之外,凭借良好的粘接性能和无外界能量输入的自适应交联特性,该黏附胶也有望实现水下固沙应用。

       该黏附研究成果在水下密封、黏附故障检测方面具有较大的应用潜力,为发展简单、便捷、快速的修复技术提供支撑,有望实现舰船运动过程中迅速有效解决漏水问题,目前正在跟用户单位联合研发相关产品。

       在水下黏附中,界面水是非常重要的影响因素,因此多尺度去水化是实现界面牢固黏附的前提。目前,多尺度去水化方式的研究还处于初级阶段,还有待进一步探索更多的去水化方式。我们相信该部分的研究结果将会为发展不同适用环境的高性能黏附材料提供理论依据和技术支撑。





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来源:[url=]科普中国[/url]
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