浙江
聚合物与金属或者无机非金属材料粘合时，通常采用硅烷或钛酸盐等小分子偶联剂以增加界面粘接性。这些偶联剂常含有多个官能团，可分别与聚合物和非聚合物表面反应，从而形成粘接（图1a）。在断裂过程中，其能量耗散主要通过界面处的化学键断裂发生，限制了断裂韧性。近年来，研究者们通过将能量耗散结构，如双网络（DNs）和牺牲键等引入到聚合物网络，将能量耗散范围从界面引入到聚合物体相，显著提高了粘接性（图1b）。
尽管这些方法在许多系统中表现优异，但在应用于某些材料时可能会遇到一些挑战，硅胶与金属的粘合便是一个典型的例子。与大多数其他树脂相比，硅胶的表面能要低得多，其与金属表面能的较大差异使得偶联剂很难同时充分润湿两个表面。其次，用于硅胶固化的铂催化剂在氮、磷、硫或不饱和键存在的情况下中毒，这限制了偶联剂或耗散结构设计的选择范围。第三，即使可以将耗散结构纳入有机硅网络，这也可能改变硅胶的一些关键性质，例如室温固化能力，极小的固化收缩率，以及良好的高低温稳定性等。因此，迫切需要一种新策略来增强硅胶与金属之间的粘接性——既要确保良好的润湿性和表面相互作用，又要在硅胶粘合剂内部实现能量耗散机制，同时还要保持硅胶的原始结构和性能。
近期，复旦大学材料科学系李卓教授与高分子科学系黄霞芸副教授合作提出了一种基于两亲性嵌段共聚物刷的新型粘合偶联剂，并成功将其应用在硅胶和金属的粘合上。共聚物中的亲水段可与金属表面形成多位点相互作用，均匀而稳定地粘附在金属表面，而疏水段则可以穿透并缠绕在硅树脂网络上，并进一步形成微相分离的区域。当在界面处施加外部应力时，亲水段的界面应力通过疏水段传递到硅胶网络，促进了体相的能量耗散，提高了粘接效果。如图1c所示。
图1增强粘接作用示意图
例如，在铜-聚二甲基硅氧烷（Cu-PDMS）体系中，通过在铜表面引入由聚丙烯酸（PAA）和聚六氟丁基丙烯酸酯（PHFBA）组成的聚合物刷（简称AAF），其搭接剪切强度（lap shear test）从未处理的0.5 MPa增加到8.2 Mpa，超过了之前的许多报告值，如图2。
图2 （a）亲疏水链段比例与偶联剂浓度对粘接强度；（b）该研究与之前报道的其他策略对比。
此外，该策略还具有很好的稳定性：在高温（85°C）、低温（-20°C）都能保持相当的粘接性。同时，在经过高温高湿（85°C，85%相对湿度）、热循环（-40°C至85°C，240个循环）、以及水中浸泡10天等极端条件后，高粘接强度都能得到较好地保持。如图3所示。
图3 在各种复杂环境中的粘接强度比较
该策略增强硅胶与铜基底的粘接强度，使得铜/PDMS微流道可以耐受175 kPa的内外压差，即使经过高温高湿老化10天后仍能保持91.4%的压差。远高于通过传统等离子体处理的界面产生的流道耐压值。高强度的铜/PDMS粘接也有效避免了铜蛇形线在经过反复拉伸后产生的脱层与翘曲。如图4所示。
图4（a）流道压力测试示意图与（b）测试曲线，（c）铜蛇形线拉伸翘曲情况 （上：AAF处理过；下：未处理）。
该研究获国家重点研发计划项目（2022YFA1205200）、国家自然科学基金项目（U22A20249、52173071、22071032）和高分子材料分子工程国家重点实验室的资助。相关成果以“Diblock copolymer brush-based adhesion coupling agents”为题，发表在Advanced functional materials (2025, 2423298)上。
原文链接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202423298.
来源：高分子科学前沿
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