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哈佛大学锁志刚教授课题组:首次提出可拉伸粘接的系统表征方法
2020-07-28  来源:高分子科技

  一直以来,粘接都被广泛应用于工程、医疗、日常生活等多个领域。常见的粘合剂包括丙烯酸树脂、硅胶、聚氨酯、聚醋酸乙烯酯(白胶水)、环氧树脂、氰基丙烯酸酯(万能胶)等,它们适用于玻璃、陶瓷、塑料、金属等不含水的硬材料。在应用时,液态粘合剂浸润粘接材料间的界面,然后固化形成一层致密的玻璃态高分子层。这一高分子层与粘接材料表面进一步形成致密的非共价相互作用,从而达到强力粘接。由此产生的粘接界面只能承受小变形,在大变形下界面极易断裂。当粘接物为可拉伸软材料时,这些传统的粘接方法极大地限制了材料的可变形范围并且极易导致软材料本身的破坏(图1a)


  与传统粘接机理不同,可拉伸材料间的粘接可以由连接界面稀疏且强韧的共价键实现。这样粘接的可拉伸软材料(如橡胶、凝胶等)在受到拉伸时,平行于界面的变形仅仅拉伸共价键之间的高分子链,而共价键不会被破坏;变形结束后,这些高分子链与软材料一同恢复它们的初始构型(图1b)。粘接材料与界面的共价键均保持完整。这样的粘接界面称为可拉伸界面。


图1. 不可拉伸界面与可拉伸界面。


  除了界面共价键之外,还有很多高分子拓扑结构同样可以达到可拉伸粘接(图2,[1])。然而,一个基础问题仍然有待回答:如何系统地表征、研究可拉伸粘接?


  为了回答这个问题,哈佛大学锁志刚教授课题组首次提出了可拉伸粘接的两种系统表征方法:(1)对粘接后的材料进行单次或循环预拉伸加载,然后在卸载后测量界面的粘接能,研究其随加载历史的变化;(2)对粘接后的材料在拉伸状态下直接测量界面的粘接能,研究其随拉伸作用时间、大小的变化。当粘接能不随材料的加载历史或拉伸状态而显著改变,且粘接后的材料能够达到要求的可拉伸范围时,此种粘接方法即为可拉伸粘接。


图2. 几种可实现可拉伸粘接的高分子拓扑结构[1]。


  研究人员将以上的表征方法应用于壳聚糖的拓扑粘接(图3,[2]),并证明了拓扑粘接为一种可拉伸粘接。研究人员通过实验证实,无论采取第一种还是第二种表征方法(图4图5),壳聚糖拓扑粘接的粘接能在加-卸载后,或不同拉伸状态下,都能维持在一个较高且稳定的数值,与初始测得的粘接能接近。


图3. 壳聚糖拓扑粘接法的机理[2]。


图4. 可拉伸粘接的第一种表征方法:对粘接后的材料进行单次或循环预拉伸加载,然后在卸载后测量界面的粘接能,研究其随加载历史的变化。


图5. 可拉伸粘接的第二种表征方法:对粘接后的材料在拉伸状态下直接测量界面的粘接能,研究其随拉伸作用时间、大小的变化。


  研究人员进一步研究了壳聚糖实现可拉伸粘接的力学机制。他们首先把一层壳聚糖溶液涂抹在一层聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶上以形成壳聚糖-水凝胶拓扑粘接的两层材料结构。当这一两层结构置于单轴拉伸下,他们清楚地观察到壳聚糖网络层随着拉伸逐渐形成多处横向裂纹。相应的力-拉伸曲线展现出锯齿形行为,而这里每个力的下降则表明了每次壳聚糖层的断裂(图6)。


图6. 壳聚糖层在拉伸下的力学行为。


  尽管这层壳聚糖网络整体在多处断裂,其局部未断裂的网络依然与两层水凝胶网络进行拓扑纠缠,从而保持了整体的强力粘接。当拉伸结束后,这些未断裂的网络随着拉伸回到初始状态,仍然保持着拓扑纠缠(图7)。从而,无论是在拉伸或者是卸载状态下,壳聚糖网络始终保持着对粘接网络的拓扑纠缠,粘接能始终保持稳定。


图7. 壳聚糖拓扑粘接可拉伸的物理机制。


  随着可拉伸软材料的大面积研究与应用,作者呼吁,材料界面粘接的可拉伸性应该作为一项重要的设计理念与指标。作者希望本文提出的可拉伸粘接的表征方法能够在更多粘接体系下获得应用,并进一步为界面流变学研究提供帮助。


  该研究工作近期发表于固体力学顶级期刊Extreme Mechanics Letters。杨加伟博士(哈佛大学博士,波士顿儿童医院、麻省理工学院博士后)和Jason Steck(哈佛大学在读博士)为文章共同第一作者,白若冰博士(哈佛大学博士,加州理工学院博士后,美国东北大学助理教授)为文章共同作者,锁志刚教授(哈佛大学教授,美国科学院、工程院院士)为文章通讯作者。


  参考文献

  [1] Yang, J., Bai, R., Chen, B., & Suo, Z. (2020). Hydrogel adhesion: A supramolecular synergy of chemistry, topology, and mechanics. Advanced Functional Materials, 30(2), 1901693.

  [2] Yang, J., Bai, R., & Suo, Z. (2018). Topological adhesion of wet materials. Advanced Materials, 30(25), 1800671.


  论文信息与链接

  Jiawei Yang, Jason Steck, Ruobing Bai, Zhigang Suo, Topological adhesion II. Stretchable adhesion, Extreme Mechanics Letters, Volume 40,2020,100891

  https://doi.org/10.1016/j.eml.2020.100891


招生信息


  白若冰博士将于2021年1月加入美国东北大学机械与工业工程系担任助理教授。课题组计划在固体力学,仿生材料,生物材料,活性软材料,以及软体机器人方面做跨学科研究,以理论与实验相结合为主。目前课题组经费和实验室空间充足,在波士顿及周边也已有很多待开展的合作。课题组现招收多名博士研究生,2021年春季或秋季入学。课题组也欢迎各个方向的访问学生和学者。感兴趣的老师、同学可访问网页https://sites.google.com/view/ruobingbai/home了解以往的研究工作,或直接邮件联系 ruobing1220@gmail.com 询问。


  美国东北大学目前US News全美排名:#31 in Best Graduate Engineering School, #40 in National Universities, and #1 in Best Co-op/Internships。学校科研投入力度大,并和工业界合作紧密。东北大学坐落于波士顿市中心,临近波士顿大学、麻省理工、哈佛大学、波士顿学院、塔夫茨大学等,非常容易建立联系。波士顿为美国一流的科技、文化、教育中心,极具包容性,是生活与就业的理想选择。

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(责任编辑:xu)
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