可重复使用的高性能水下粘合剂

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水下粘合剂在人体生物医学装置、水下软体机器人等生物医学和工程领域有着非常重要的应用需求,人们一直致力于开发能够在水下实现稳定粘附的高强度水下粘合剂。近二十年,科学家使用化学合成策略发展了系列水下粘合剂。一方面,通过模仿贻贝粘附机制,人们制备了系列基于儿茶酚基团的水下粘合剂。另一方面,制备粘合剂溶液,使溶液在基材上原位固化形成聚合物网络,与基材形成强粘合作用。然而,水下粘合剂领域依然存在一些亟需解决的问题:(1)儿茶酚基团易于被氧化,导致儿茶酚基水下粘合剂的合成方法较为苛刻,且难以实现重复使用。(2)对于需要固化才能够形成强粘合作用的粘合剂溶液体系,存在固化时间长、不能重复使用的缺点。基于上述问题,我们围绕水下粘合剂开展了如下两方面的工作:1.针对儿茶酚基水下粘合剂合成方法苛刻,难以实现重复使用的问题,我们基于可适用于大规模生产的“一锅法”策略制备了在水下能够实现高强度粘合,并可重复使用的儿茶酚基聚合物复合物粘合剂。同时,所制备的粘合剂可以冻干研磨制成粉末,能够有效地避免儿茶酚基粘合剂的氧化。我们通过简单的聚合物溶液复合的方法,将水解弹性蛋白溶液与单宁酸-羟基磷灰石混合溶液复合,制备得到了基于氢键相互作用的团聚体。调控水解弹性蛋白与羟基磷灰石的含量可调节粘合剂的内聚力,同时,单宁酸的儿茶酚基团通过氢键、配位键等非共价相互作用能够与不同基材之间形成良好的水下粘附作用,对不锈钢基材的水下粘合强度达到1.1 MPa。粘合剂经过冻干研磨能够制成粉末,粉末与温水混合又重新形成能够进行水下粘附的粘合剂,基于这种特性,可以实现对粘合剂的重复循环使用。由于粘合剂粉末具有良好的生物相容性,可以与血液作用以及能够在生物体内降解的特性,使其能够作为生物止血剂进行静脉以及肝脏动脉的止血。总之,本章工作提供了一种简单有效的方法制备高强度水下粘合剂,能够重复使用的特性使其在商业水下粘合剂有良好的应用前景。2.针对可固化的水下粘合剂溶液体系存在固化时间长、难以重复使用的问题,我们通过简单的“一锅法”策略制备了能够在水下实现快速粘附且能够重复使用的高强度水下粘合剂。所制得的水下粘合剂能够在1分钟时间内实现对不锈钢材料的强粘附,粘合强度高达3.5 MPa。我们基于乙二醇二缩水甘油醚-苯胺的开环反应制备了线性聚合物粘合剂。该线性聚合物对温度具有良好的响应性,通过温度调控粘合剂对基底材料的润湿性,粘合剂的羟基、苯环等官能团能够与基底材料之间形成氢键、疏水相互作用等非共价相互作用,良好的润湿性与非共价相互作用共同赋予了粘合剂强粘附力。同时,聚合物具有优异的力学性能(即内聚力),良好的粘附力与内聚力使粘合剂呈现出优异的粘合性能,对不锈钢的水下粘合强度达到3.5 MPa。基于粘合剂的温度响应性,可以通过控制温度实现粘合剂与基材进行粘附与脱粘附,从而实现粘合剂的重复循环使用。本章工作研发了一种在水下能够快速粘附并且可重复使用的高强度水下粘合剂,由于粘合剂具有能够快速粘附的特性使粘合剂在商业水下速粘胶展现出良好的应用前景。
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