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  智能粘合劑由于其可逆的粘合能力和刺激響應(yīng)行為而備受關(guān)注。隨著智能設(shè)備(諸如傳感器、軟體機(jī)器人等)對粘合劑性能需求的日益增長，制備多功能的粘合劑具有重要意義和實用價值。但是對于大部分智能粘合劑材料而言，將高導(dǎo)電性、可調(diào)粘合性、熱修復(fù)性、變剛度性、可回收性和可重復(fù)使用性等結(jié)合到一種材料中仍然頗具挑戰(zhàn)。

  為了解決上述問題，南京大學(xué)李承輝教授課題組以含有多氫鍵作用的超分子聚合物(SMP)為基體再與石墨烯納米片(GNs)共混制備出具有可調(diào)粘合性質(zhì)的變剛度復(fù)合材料(SMP/GNs)。得益于體系中大量的羧基與氨基，SMP/GNs復(fù)合材料對多種表面(如鋼、鐵等)均表現(xiàn)出卓越且可重復(fù)的粘合作用，對玻璃表面具有可達(dá)6.48 MPa的剪切粘接強(qiáng)度。與此同時，所設(shè)計的SMP/GNs復(fù)合材料還表現(xiàn)出優(yōu)異的變剛度性、導(dǎo)電性、修復(fù)性和可回收性等。通過施加不同大小的電壓，可以實現(xiàn)對復(fù)合材料粘合力大小與有無的調(diào)控。相關(guān)工作近期以題為“A Variable Stiffness Adhesive Enabled by Joule Heating Effect”發(fā)表在了《Chemical Engineering Journal》上（DOI：10.1016/j.cej.2021.133840），該復(fù)合材料有望在可穿戴設(shè)備、軟體機(jī)器人和驅(qū)動器等領(lǐng)域上得到廣泛應(yīng)用。南京大學(xué)博士生張敏浩為論文第一作者，通訊作者為南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院李承輝教授。

  在制備過程中，首先以1,12-二氨基十二烷和丙烯酸為原料合成出含有大量羧基與氨基存在的超分子聚合物(SMP)體系。再將所得超分子聚合物與石墨烯納米片共混加工，得到具有熱塑性質(zhì)的SMP/GNs復(fù)合材料(圖1)。

圖1 SMP的合成與氫鍵作用以及SMP/GNs復(fù)合材料的制備

  對材料進(jìn)行拉伸測試與流變學(xué)測試可知，復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度對溫度具有高度敏感性，其模量大小隨溫度升高而減小，說明材料具有優(yōu)良的變剛度性質(zhì)。同時溫度循環(huán)流變測試表明材料的變剛度性具有可循環(huán)性和高重復(fù)性的特征(圖2)。

圖2 SMP/GNs復(fù)合材料的機(jī)械性質(zhì)與流變學(xué)性質(zhì)

  對材料進(jìn)行粘合性測試，制備的復(fù)合材料對多種表面(如鋼、鐵、玻璃等)具有優(yōu)異的粘合性質(zhì)，其中對玻璃的剪切粘接強(qiáng)度可達(dá)6.48 MPa，并且可重復(fù)多次使用。通過熱壓冷卻的方式使用SMP/GNs將兩塊鋼板粘合起來，0.2 g的粘合劑便可承載20 kg以上的重量(圖3)。

圖3 SMP/GNs復(fù)合材料的粘合性質(zhì)

  由于基體材料SMP的多氫鍵和變剛度性質(zhì)，在加熱時體系中部分羧基與氨基暴露出來，與物體表面發(fā)生作用，產(chǎn)生粘附性。而當(dāng)溫度過高時，由于氫鍵解離材料自身模量下降，導(dǎo)致粘附性變?nèi)�。通過不同溫度下復(fù)合材料的粘附力測試，表明粘附力隨溫度升高具有先上升后下降的特性(圖4)。

圖4 溫度對SMP/GNs復(fù)合材料粘合性質(zhì)的影響

  利用復(fù)合材料粘附力隨溫度變化的性質(zhì)，研究團(tuán)隊基于SMP/GNs制作出簡易的電驅(qū)動夾持器，施加電壓便可粘附不同形狀的物體。此外，通過改變施加電壓的大小，還可以實現(xiàn)對物體的粘附與剝離，為電驅(qū)動萬用夾持器的設(shè)計提供了新的方案(圖5)。

圖5 基于SMP/GNs復(fù)合材料的簡易電驅(qū)動夾持器

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133840