粘合劑在日常生活中十分常見(jiàn)，尤其是以502膠水為代表的高分子粘合劑已經(jīng)成為生活生產(chǎn)中難以取代的一類重要輔助材料。一般來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)粘合劑只能用于干燥環(huán)境下的基材粘接，而在潮濕或水下環(huán)境中非常容易粘合失效。當(dāng)水分子進(jìn)入粘合界面并形成水膜時(shí)，粘合劑與基材之間的直接接觸被嚴(yán)重限制，造成粘合劑的表面能降低，進(jìn)而導(dǎo)致粘合劑與基材之間粘接強(qiáng)度明顯降低或完全不能粘接?？紤]到生物工程、海洋工程和醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域應(yīng)用的強(qiáng)烈需求，開發(fā)水下強(qiáng)粘合材料一直是研究熱點(diǎn)。
目前，盡管以兒茶酚基團(tuán)為主要結(jié)構(gòu)的水下粘合劑的開發(fā)已經(jīng)取得了進(jìn)展，然而仍存在許多關(guān)鍵性挑戰(zhàn)亟待研究和解決。這類粘合劑的粘合過(guò)程往往要求特定的配合比設(shè)計(jì)和反應(yīng)環(huán)境，而且粘合效果容易因環(huán)境的氧化介質(zhì)作用而劣化，大大限制了其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院在Materials Horizons發(fā)表了題為“Hydrogel networks asunderwater contact adhesives for different surfaces”的研究論文，馮攀博士和葉少雄博士研究生為共同第一作者，劉加平教授，孫正明教授和章煒副教授為共同通訊作者。
這項(xiàng)工作介紹了一種可以在水下穩(wěn)健粘合多種基材的納米晶增強(qiáng)水凝膠復(fù)合材料，具有制備工藝簡(jiǎn)單、粘接強(qiáng)度在服役過(guò)程中不斷強(qiáng)化的特點(diǎn)。在這項(xiàng)工作中，選用聚丙酰胺水凝膠作為水下粘合劑的基底，利用水泥礦物水化消耗水和產(chǎn)生納米晶的特點(diǎn)來(lái)強(qiáng)化水凝膠和保障水下強(qiáng)粘合。
圖文導(dǎo)讀
水凝膠復(fù)合材料的制備和基材粘合十分簡(jiǎn)單便捷，可以概括為將原材料配制成均勻漿體并在在水下環(huán)境原位澆筑于基材表面后，界面存在的水層在交聯(lián)過(guò)程中會(huì)因基材間水凝膠的吸收和膨脹擠出而消失，而且水泥礦物水化快速消耗水和產(chǎn)生納米晶體，加速了水凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成和強(qiáng)化，從而實(shí)現(xiàn)粘合材料與基材表面的牢靠穩(wěn)健粘合。
這項(xiàng)工作中使用的聚丙烯酰胺水凝膠是一類具有多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高分子材料（Fig. 2c），水泥礦物水化產(chǎn)生的大量晶體（Fig. 2a）使得水凝膠復(fù)合材料的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（Fig. 2b）和力學(xué)性能（Fig. 2e-f）都得到了明顯強(qiáng)化。
一旦牢固粘合后，水凝膠復(fù)合材料中的納米晶體與基體之間的緊密耦合（Fig. 3b）是粘合劑與基體緊密粘合和具有高粘接強(qiáng)度的重要來(lái)源（Fig. 3a）。界面處的掃描電鏡圖片（Fig. 3c）和三維X射線顯微形貌（Fig.3d）都顯示了粘合劑與基材的緊密粘合。Fig. 3e 展示了水凝膠復(fù)合材料對(duì)于5種不同基材的水下粘接強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)陶瓷基材所對(duì)應(yīng)的粘接強(qiáng)度最高（接近4MPa），金屬基材所對(duì)應(yīng)的粘接強(qiáng)度略低，木材和玻璃基材所對(duì)應(yīng)的粘接強(qiáng)度都可以超過(guò)1MPa，而聚四氟乙烯基材所對(duì)應(yīng)的粘接強(qiáng)度最低，但也可以超過(guò)300kPa。值得注意的是，由于水泥礦物的持續(xù)水化，水凝膠復(fù)合材料與基材之間的粘合可以在服役過(guò)程中得到持續(xù)的強(qiáng)化（Fig. 3g）。
當(dāng)將這項(xiàng)工作測(cè)得的粘接強(qiáng)度數(shù)據(jù)與已有文獻(xiàn)對(duì)比后，可以明顯發(fā)現(xiàn)所制備的水凝膠復(fù)合材料對(duì)5種基材的粘接強(qiáng)度基本都超過(guò)了文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，尤其是對(duì)陶瓷、木材和玻璃基材的粘接強(qiáng)度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了已有文獻(xiàn)報(bào)道（Fig. 4a）。最后，這項(xiàng)工作還對(duì)比了幾種商用膠水的水下粘接強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，可見(jiàn)與商業(yè)膠水服役過(guò)程中不斷劣化的規(guī)律相反，水凝膠復(fù)合材料的粘接強(qiáng)度在7天內(nèi)持續(xù)增強(qiáng)，極大地促進(jìn)了水下強(qiáng)粘合劑的使用壽命。
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Fig. 4（a）與現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道的基材水下粘接強(qiáng)度的對(duì)比、（b）水凝膠復(fù)合材料與商業(yè)粘合材料對(duì)于鋁材的水下粘接強(qiáng)度發(fā)展對(duì)比。
小結(jié)
這篇文章從材料設(shè)計(jì)的角度充分結(jié)合和發(fā)揮了水凝膠多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和水泥礦物水化反應(yīng)增強(qiáng)的特性，構(gòu)筑了新型水下粘合材料。材料制備和應(yīng)用簡(jiǎn)單便捷，可以與多種基材在水下環(huán)境實(shí)現(xiàn)強(qiáng)粘合。此外，水泥礦物的持續(xù)水化不斷增強(qiáng)水凝膠網(wǎng)絡(luò)和提高粘接強(qiáng)度，克服商業(yè)膠水服役過(guò)程中粘接效果劣化的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)水下長(zhǎng)久穩(wěn)健的基材粘接。
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