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2023-10-24

以前过年时,家里都会用自己熬的面糊(浆糊)来贴春联,但这种方式贴的对联一般不牢靠,一旦受到雨水浸润,非常容易脱落。除了浆糊,日常生活中的黏附材料非常多,如补轮胎的胶水和透明胶带等。在使用过程中,长辈经常会嘱咐我们粘之前要把表面的水擦干净,不然粘不牢。这说明,表面有水会削弱界面黏附,这其实是一种水分子对黏附界面的破坏造成的粘接失效。

近日,中国科学院兰州化学物理研究所周峰研究员团队提出了一种物理和化学耦合的去除界面水膜的方法,该方法包括多个尺度的去水化过程。首先,基于黏附胶优异的润湿性实现在毫米尺度对界面水的物理替代;其次,通过胶黏剂中异氰酸酯片段与水的化学反应而形成的气膜,实现在微米尺度对界面水的物理屏蔽;最后,在分子尺度基于化学反应实现对界面结合水的消耗。不同于单一的物理去水化方法,这种物理和化学协同的方式能够有效地实现从宏观界面水到微观结合水的去除,保证了黏附胶优异的水下黏附性能。而基于这种方法,研究人员发展了一种湿黏附胶,不同于日常生活中使用的胶水(一旦遇到水立马变成没有粘性的硬质塑料),这种胶能在水下直接使用。该湿黏附胶一旦挤涂到被粘物体表面,会迅速地浸润和铺展;与此同时,胶液周围会生成一圈气泡,有助于把表面的水排开,给胶水和黏附界面的充分接触提供了条件;随着时间的增加,湿黏附胶的流动性消失,其内聚能增加,基于前期充分形成的界面接触状态和相互作用,黏附胶将会把两个目标接触面牢牢粘接在一起。该黏附剂具有非常优异的黏附性能,在水中(淡水)黏附强度达到1600kPa,相当于手掌大小的黏附面积,能够挂起1.6吨的重物(相当于一辆普通小轿车的重量)。

该黏附研究成果在水下密封、黏附故障检测方面具有较大的应用潜力,为发展简单、便捷、快速的修复技术提供支撑,有望实现舰船运动过程中迅速有效解决漏水问题,目前正在跟用户单位联合研发相关产品。
在水下黏附中,界面水是非常重要的影响因素,因此多尺度去水化是实现界面牢固黏附的前提。目前,多尺度去水化方式的研究还处于初级阶段,还有待进一步探索更多的去水化方式。我们相信该部分的研究结果将会为发展不同适用环境的高性能黏附材料提供理论依据和技术支撑。
参考文献:
[1]Qin C, Ma Y, Zhang Z, et al. Water-assisted strong underwater adhesion via interfacial water removal and self-adaptive gelation [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2023, 120(31), e2301364120.
出品:科普中国
作者:秦晨曦(中国科学院兰州化学物理研究所)
监制:中国科普博览