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華南理工大學(xué)王濤課題組 AFM：仿生綠色水下黏附明膠-單寧酸水凝膠
2024-09-03  來源：高分子科技
關(guān)鍵詞：仿生 水下黏附 水凝膠


  水凝膠的水下黏附對(duì)于其在液體環(huán)境中的應(yīng)用至關(guān)重要，但綠色原料、便捷制備工藝、多環(huán)境適應(yīng)性等方面仍需改進(jìn)。華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王濤課題組在前期關(guān)于明膠-單寧酸超快速形狀記憶水凝膠的基礎(chǔ)上（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 46701），受自然界中基于蛋白質(zhì)的水下生物黏附現(xiàn)象啟發(fā)，無需聚合反應(yīng)和化學(xué)交聯(lián)劑，通過逐步浸泡的方法將明膠和單寧酸這兩種源于自然界中的常見材料結(jié)合起來制備綠色水下黏附水凝膠。通過在尿素溶液中浸泡或直接加熱兩種簡(jiǎn)便處理方法，水凝膠可以在多種基材表面和液體環(huán)境中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的即時(shí)黏附，黏附強(qiáng)度可在100 ~ 103 kPa寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)（圖1）。此外，本工作還提出了基于該水下黏附凝膠的幾種便攜式概念產(chǎn)品，顯示了其商業(yè)化潛力。


圖1. 明膠-單寧酸水下黏附水凝膠的制備及其多環(huán)境適應(yīng)性和黏附強(qiáng)度寬范圍調(diào)節(jié)能力


  作者首先通過紅外光譜、X射線光電子能譜和小角X射線散射等多種手段對(duì)水凝膠在不同條件下的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)演變過程進(jìn)行了系統(tǒng)表征。結(jié)果表明，明膠-單寧酸水凝膠在制備過程中沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，單寧酸的引入使明膠水凝膠發(fā)生微相分離，而升溫處理使相分離加劇。尿素溶液浸泡處理可破壞明膠與單寧酸之間強(qiáng)氫鍵作用，使水凝膠表面羥基、酚羥基富集和暴露，賦予其水下黏附性能（圖2）。


圖2. 明膠-單寧酸水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)演變過程的表征


  其次，作者通過流變、接觸角、溶脹、拉伸等手段考察了明膠-單寧酸水凝膠性能演變過程。結(jié)果顯示，尿素溶液浸泡和升溫均可使水凝膠網(wǎng)絡(luò)快速瓦解而軟化且變粘，但水凝膠仍可保持穩(wěn)定的水下抗溶脹及表面超親水性。不同的是，尿素溶液浸泡導(dǎo)致的水凝膠瓦解是不可逆的，而升溫導(dǎo)致的軟化在降溫后可重新回復(fù)初始狀態(tài)（圖3）。此外該水凝膠還表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌性能和柔性傳感特性。


圖3. 明膠-單寧酸水下黏附水凝膠的軟化、抗溶脹、接觸角及溫度響應(yīng)可逆軟硬變化表征


  在水下黏附性能的研究方面，對(duì)于尿素水溶液處理的水凝膠，作者探索了浸泡時(shí)間和尿素濃度對(duì)黏附強(qiáng)度的影響，可以實(shí)現(xiàn)最高的80 kPa的黏附強(qiáng)度。此外，該水凝膠在不同液體環(huán)境中（去離子水、酸堿鹽、甲基硅油、苯基硅油、花生油）和不同水下存放時(shí)間（1 ~ 15天）均具有穩(wěn)定的黏附強(qiáng)度，多次重復(fù)黏附實(shí)驗(yàn)表明水凝膠具有較好的可重復(fù)黏合性能。借助該凝膠，可實(shí)現(xiàn)理想的水下即時(shí)黏附和水下原位堵漏效果（圖4）。


圖4. 尿素溶液浸泡處理后水凝膠的水下黏附研究


  對(duì)于加熱處理的水凝膠，處理溫度對(duì)水凝膠的黏附強(qiáng)度有較大影響，黏附強(qiáng)度隨溫度升高而增大，最高可達(dá)1.5 MPa的水下黏附強(qiáng)度；由于熱處理的可逆性，連續(xù)十次加熱-冷卻循環(huán)均保持穩(wěn)定的高黏附強(qiáng)度。同時(shí)，對(duì)于不同的基材（金屬、塑料、玻璃、豬皮等）都有優(yōu)異的黏附強(qiáng)度。該水凝膠與近期報(bào)道的水下黏附凝膠相比，在最大黏附強(qiáng)度、寬范圍可調(diào)性、是否符合綠色化學(xué)原則、多環(huán)境適應(yīng)性、耐久性等多個(gè)方面表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能（圖5）。


圖5. 加熱處理后水凝膠的水下黏附研究及黏附機(jī)理和性能對(duì)比


  最后，得益于優(yōu)異的水下黏附性能和環(huán)境友好的原材料，以及無需化學(xué)合成的便捷制備方法，作者提出了基于該水凝膠的膠水、創(chuàng)可貼、熱熔膠棒等便攜式概念產(chǎn)品，并展示了其應(yīng)用過程，表明該類水下黏附凝膠具有優(yōu)異的商業(yè)化潛力（圖6）。


圖6 明膠-單寧酸水下黏附凝膠概念性產(chǎn)品及其應(yīng)用示例


  以上研究成果近期以“Bioinspired Green Underwater Adhesive Gelatin-Tannic Acid Hydrogel With Wide Range Adjustable Adhesion Strength and Multiple Environmental Adaptability”為題，發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上，華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生袁忠和為該文章第一作者，王濤副研究員為通訊作者。同時(shí)，華南理工大學(xué)童真教授、孫尉翔副研究員、陳云華副研究員及南昌大學(xué)彭志平教授對(duì)該工作中的材料結(jié)構(gòu)分析、抗菌實(shí)驗(yàn)等方面提供了大量指導(dǎo)工作。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。


  全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202412950

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（責(zé)任編輯：xu）
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