《Adv. Mater.》北海道大学龚剑萍/范海龙：仿生水下胶粘剂最新综述!

【摘要】

水下胶粘剂（粘合剂）在商业和工业领域都有很高的需求。 与在干燥（空气）环境中使用的粘合剂相比，用于水性环境中潮湿或浸没表面的粘合剂在开发和性能方面具有特定的挑战。 在这篇评论中，重点是展示对湿/水下基材具有宏观粘附力的粘合剂。首先介绍了当前针对不同类型水下粘合剂的策略，然后概述了基于不同机制和策略的水下粘合剂的发展和性能。最后讨论了水下粘合剂可能的研究方向和前景。

【主图导读】

2 水下附着力的当前设计策略

实现湿粘附的关键是水化层的分解和与基材表面的相互作用，这可以设计为不同的长度尺度（图 1） 。

图1 目前对不同长度尺度的水下粘合剂实施了脱水和粘合策略。

近十年来发展起来的各种水下胶粘剂，根据粘接方式大致可以分为两大类：胶水型和胶带型胶粘剂（图 2）。胶水型粘合剂由液态前体溶液制成，该溶液在水下固化，在此期间会发生分子级界面相互作用。随后，液体被聚合和/或交联以形成固体。胶水型粘合剂一般具有较高的粘合强度，并且通常会发生内聚失效，这表明粘合强度远大于内聚强度。然而，它们需要很长的固化时间并且粘合通常是不可逆的。相比之下，胶带状粘合剂是柔软的固体，可以通过分子相互作用和/或物理吸力直接粘附在潮湿的表面上。这种类型的粘合剂通常表现出即时和可逆的粘合力。然而，由于脱 水效率低和基材表面粗糙导致界面接触不良，它们的结合强度通常较弱。因此，胶水型胶粘剂的开发通常侧重于固化 /固化化学结构的设计以确保强大的内聚力，而胶带型胶粘剂的设计侧重于脱水和强界面桥接的形成，这是一种涉及不同长度尺度的问题。

图2 目前的水下粘合剂。 a) 胶水型水下粘合剂，呈液态，需要经过固化过程才能固化。液体可以是单体溶液、聚合物溶液、聚合物熔体、凝聚层或它们的混合物。b) 胶带型水下粘合剂，是柔软的粘弹性弹性体或凝胶。胶水型胶粘剂与基材形成全分子键合，因此表现出强且不可逆的粘合力，而胶带型胶粘剂由于在水中难以形成分子键合，通常具有非常弱但可逆的粘合力。

水下粘合强度一般通过搭接剪切、拉伸、粘性和剥离试验来测量，如图 3所示。胶水型粘合剂的水下粘合强度通常通过搭接剪切试验（图3a）和拉伸试验（图 3b)。粘合强度定义为每单位接头面积的接头失效所需的最大拉力。胶带型粘合剂的水下粘合强度通常通过粘性测试来测量（图 3c）。通常，将一块粘合剂固定在探头的头部，然后在规定的压力下将其压在浸没在液体中一定时间的基板表面。随后，探头缩回直至完全脱离。此处，粘合强度定义为每个标称接触面积在回缩过程中的最大拉力。剥离试验是另一种测量水下粘附强度的常用方法（图 3d）。

图3 水下附着力常用测试方法的说明。 a) 搭接剪切试验。b) 拉伸试验。c) 粘性测试。d) 剥离试验。

3 胶水型水下粘合剂

胶水型水下粘合剂是一种液体粘合剂，需要经过固化过程以增强其内聚力并确保水下附着力强。 这些类型的粘合剂可以是单体溶液、聚合物溶液、聚合物熔体、凝聚层或它们的混合物。通常，接缝是通过在水溶液（如磷酸盐缓冲盐水 (PBS) 缓冲液、盐水和海水）中的两种基材之间涂上胶水，然后对基材施加一定时间（秒到 分钟）。随后，将接头在溶液中保持一定时间（数小时至数天）以使其固化。在固化过程中，胶水发生聚合或交联，形成聚合物网络。最终固化的散装材料可以是塑料薄膜、弹性体或水凝胶，具体取决于聚合物的性质

相关论文以题为 Bioinspired Underwater Adhesives 发表在《 Advanced Materials 》上。 通讯作者 是 北海道大学 龚剑萍教授 、 范海龙助理教授 。

参考文献：

doi.org/10.1002/adma.202102983