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    暨南大學劉明賢教授團隊:甲殼素納米晶作為環境友好型粘合劑
    2021-03-05  來源:高分子科技

      粘合劑是一種將兩種材料通過界面的粘附和內聚連接在一起的物質,在我們的日常生活中起著至關重要的作用,在宇航、交通運輸、儀器儀表、電子電器、機械制造、生活用品等領域有著廣泛的應用。目前。常見的粘合劑大多是有機溶劑型粘合劑,在使用過程中會釋放揮發性有機物(VOC)。隨著人們對環境問題的日益重視,粘合劑中的VOC對環境的污染和對人體健康的危害已經成為一個急需解決的問題。VOC可能會對健康造成短期和長期的不良影響,包括對眼睛、鼻腔、口腔和肺部的刺激,導致頭痛、惡心、呼吸系統問題以及對肝臟、腎臟和中樞神經系統的損害。因此,尋找一種綠色、環保、高粘接強度的非有機溶劑膠粘劑迫在眉睫。


      近日,暨南大學化學與材料學院劉明賢教授團隊提出了一種基于甲殼素納米晶須(ChNCs)水分散液制備的納米粘合劑,該粘合劑僅通過來源于蟹殼的ChNCs即可形成一種高粘合強度的環保粘合劑(圖1)。


    圖1. ChNCs懸浮液的粘合流程圖


      在該研究中,ChNCs懸浮液,在受限空間中蒸發誘導自組裝的作用下,在粘合物體界面形成超分子結構的粘附層。蒸發過程中,受毛細管力,范德華力、靜電作用力等產生的應力影響,ChNCs排列成高度有序的層狀結構。ChNCs的這種長程有序的結構還會產生顯著的各向異性粘合強度。它在平行于粘合主平面方向上的粘合強度可達5.2 MPa,0.25mg的甲殼素納米晶粘合的玻璃片樣品可以輕易提起25 kg的水桶(視頻1)。而垂直于該平面方向的強度僅為0.4 MPa,各向異性粘合強度比大于10。粘合穩定性是影響ChNCs粘合劑實際應用的重要因素。通過敲擊和掉落測試,可以看出納米膠在保持高粘附各向異性的同時表現出良好的穩定性(視頻2),這可歸因于高接觸面積、強的氫鍵和范德華力相互作用(圖2)。


    圖2. ChNCs納米膠的粘合性能:ChNCs納米膠樣品的面內(A)和面外實物載荷(B)分別為F∥>250.00 N和F⊥>15.00 N;不同濃度ChNCs納米膠的面內(C,D)和面外(E,F)載荷直方圖和載荷-位移曲線;不同濃度ChNCs納米膠平面內粘合剪切強度(G)以及對應的粘合強度各向異性直方圖(H);粘合載玻片的穩定性試驗(I):側面敲擊試驗(粉色)、正面敲擊試驗(紫色)、整體跌落試驗(紅色方框)。


      研究還測試了ChNCs粘合劑在不同材料的粘合能力,所測試的材料包括玻璃、金屬、木材、聚合物以及它們的組合。值得注意的是,無論基底的表面是平滑的(玻璃)還是粗糙的(木材),ChNCs粘合劑仍然可以實現粘合。這些結果表明,ChNCs納米膠的粘合性能并不局限于特定材料的表面,說明ChNCs納米膠具有廣闊的應用前景。


      為了了解這種新型黏合劑的粘合機制和破壞機制,論文研究了粘合區的微觀結構,發現其是在蒸發過程中形成的自組裝結構(圖3和視頻3)。從SEM圖中看到ChNCs沿條紋有序取向,當其受應力作用被破壞時,ChNCs的方向轉向應力方向。從圖3中看清晰看出,ChNCs納米膠有兩種主要的失效機制:粘合劑本身的失效(主要)以及粘合劑與基底的脫粘(次要)。


    圖3. ChNCs納米膠的失效機理:用體式顯微鏡觀察玻璃片粘接失效前后的照片(A);代表ChNCs條紋與基底之間粘附失效的SEM圖像(B,C);說明沿施加應力方向條紋斷裂的粘結失效位置(D,E;藍色箭頭和“F”表示應力方向,黃色框表示在應力作用下半分離的ChNCs條紋)。


      該工作以“Chitin Nanocrystals as an Eco-friendly and Strong Anisotropic Adhesive”為題目發表于《ACS Applied Materials & Interfaces》。論文第一作者為暨南大學化學與材料學院碩士劉宏忠劉明賢教授為論文唯一通訊作者。


      文章鏈接:https://doi.org/10.1021/acsami.1c02000

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    (責任編輯:xu)
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