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四川大學(xué)張軍華教授團隊 CEJ：基于動態(tài)共價自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)和非共價氫鍵調(diào)控實現(xiàn)具有動態(tài)特性的強超分子粘合劑
2023-03-01  來源：高分子科技

  不同基材界面的超強粘合性，一直以來是人造先進粘合材料備受追捧的重要特性之一。從傳統(tǒng)的樹脂到生物啟發(fā)的粘合劑，受聚合物拓撲結(jié)構(gòu)/網(wǎng)絡(luò)的影響，聚合物粘合材料內(nèi)在屬性高度依賴于自身交聯(lián)結(jié)構(gòu)特性。大多數(shù)情況下，這些化學(xué)交聯(lián)結(jié)構(gòu)具有不可逆性。


  近期，四川大學(xué)張軍華教授團隊報道了一種基于天然硫辛酸小分子與羥基金剛烷胺制備的小分子化合物，在熱作用下，通過動態(tài)共價聚二硫網(wǎng)絡(luò)、非共價多重氫鍵實現(xiàn)了具有溫度響應(yīng)下粘附/脫粘性能優(yōu)異的動態(tài)超分子無溶劑粘合劑材料。相關(guān)成果以“Robust and healable poly(disulfides) supramolecular adhesives enabled by dynamic covalent adaptable networks and noncovalent hydrogen-bonding interactions” 為題發(fā)表于《Chemical Engineering Journal》（Doi: 10.1016/j.cej.2023.142066）。文章第一作者為四川大學(xué)博士研究生楊勝都，四川大學(xué)高分子研究所張軍華教授為論文通訊作者。


  以小分子硫辛酸（TA）與含有氨基的金剛烷通過酰胺化反應(yīng)，制備了一系列構(gòu)型差異化的非粘性籠型金剛烷胺結(jié)構(gòu)（圖1）。這類小分子化合物在室溫下為固體。當溫度升高到熔點以上，硫辛酸中的二硫鍵發(fā)生聚合，該聚合結(jié)構(gòu)具有溫度可逆性。研究發(fā)現(xiàn)poly(TtADO-TA)依賴羧基/酰胺非共價結(jié)構(gòu)和金剛烷構(gòu)型的調(diào)控，展示了出色的穩(wěn)定性和對各種基材超強的粘合能力。并由于多重氫鍵的作用，實現(xiàn)了升溫脫粘附，室溫強粘附的特性。比較參照組三種聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)差異，可以發(fā)現(xiàn)poly(TADA)和poly(TADO)在相同聚合度下具有最小的分子體（圖2），這使得它有利于聚集，導(dǎo)致由末端S-S引發(fā)閉環(huán)解聚，宏觀上表現(xiàn)為亞穩(wěn)狀態(tài)。優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)后，模擬的內(nèi)聚能結(jié)果來看，共聚物的分子體積均小于其均聚物，這歸因于低體積柔性TA單體的引入。此外酰胺作為拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑單元，其非共價鍵成鍵能力受到TADO中金剛烷胺三碳位電子云密度的影響，與參考共聚物相比，poly（TADO-TA）表現(xiàn)出低的內(nèi)聚能，這不利于有效粘附。


圖1.三種TA分子衍生粘附材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計與合成。 


圖2.分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與共聚物結(jié)構(gòu)性能分析。


  調(diào)節(jié)優(yōu)化后制備的動態(tài)poly(TtADO-TA)-2軟材料展示了良好的穩(wěn)定性，同時能夠賦予各種基材出色的粘合能力（圖3），以及優(yōu)異的動態(tài)特性。該項工作有望對未來強粘材料合成和制造提供合理的設(shè)計思路與解決方案。


圖3.合成的poly(TtADO-TA)粘合材料粘合強度與穩(wěn)定性表現(xiàn)。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142066

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