科学研究 /2024-6-28 14:37
化学学院陈宜法教授/兰亚乾教授团队在《Nature Communications》上发表重要研究成果
来源:化学学院|作者:化学学院|通讯员:化学学院|摄影:化学学院|编辑:卢嘉裕
1999

近日,我校化学学院陈宜法教授/兰亚乾团队在特种粘合剂领域取得了重要研究进展,相关成果在《Nature Communications》上发表题为“A Solvent-free Processed Low-temperature Tolerant Adhesive”的研究论文。我校是该论文的第一完成单位,论文第一作者为忻州师范学院访问学者解晓明副教授,二类英才李润寒博士后、陈宜法教授和兰亚乾教授为该论文通讯作者。该研究受到了国家杰出青年基金项目的支持。

粘合剂在电子产品和航空航天等众多领域发挥着重要作用。随着社会和工业的可持续发展,对耐温粘合剂的实际需求日益增长,如地球两极(南极, 20.7 ~ -94.2 ℃)和人类外太空的研究与探索(月球, 127 ~ -183 ℃; 火星, 20 ~ -140 ℃; 土星, -130 ~ -191 ℃; 海王星, -210 ~ -218 ℃), 需要高强度且能够耐低温的粘合剂。目前为止,大多数传统粘合剂都是以聚合物为主要成分,如市售的热熔胶:乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚酰胺(PA)和聚醚砜(PES)等。尽管它们在日常生活中得到了广泛的应用,但仍存在一些不足,尤其是在低温环境下: 1)高交联密度和低表面能导致粘合剂与基底表面之间难以粘接和容易脱粘; 2)界面渗透效果差,易形成较厚的黏附层,造成不理想的残余应力; 3)传统的聚合物分子在低温下容易冻结,导致体积收缩,脆性增强,机械力传递减弱,裂纹扩展的阻力降低; 4)低温下的稳定性一般不足,且低温下的粘附机理研究较少。虽然添加增塑剂/交联剂或非极性取代基等策略可以在一定程度上提高粘合剂的耐温范围,但通过这些方法制备的大多数商用热熔胶的最低耐温范围在-50 ℃以上。因此,目前的改进效果还远不能令人满意,复杂的制备工艺也严重限制了它们的推广与应用,因而迫切需要新的策略来开发新型粘合剂去实现在北极/南极或外太空探索等特定场景的应用。

基于此,兰亚乾教授团队通过热辅助工艺开发了一种可批量制备的多金属氧簇(POMs)基无溶剂粘合剂(SSFP)。所制备的SSFP粘合剂在不同的人造或天然基材上均表现出良好的界面粘附能力,具有较高的粘附强度(3.7 MPa)和有机溶剂稳定性(三甲苯(TMB),石油醚(PE)和正己烷(N-hexane)等),耐受温度范围较宽(-196 ~ 55 ℃),在-196 ℃下具有持久的粘附效果(> 60天)。在耐低温性和耐有机溶剂性方面,SSFP粘合剂明显超过了商用热熔胶EVA。此外,将实验结果与理论计算相结合,阐明了POMs与高分子聚合物之间的强相互作用能是低温下表现出高粘附性能的主要因素,具有增强的内聚力强度,抑制聚合物结晶和体积收缩等效果。这一工作丰富了耐低温粘合剂的种类,并将为开发用于南北极或行星探测的高级无溶剂特种胶粘剂提供可靠思路。

论文连接:https://www.nature.com/articles/s41467-024-49503-7