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受蜗牛粘液启发的可逆超级胶水
2019年6月28日

     粘合剂在日常生活和工业应用中无处不在。它们通常强但不可逆,就像我们在墙上粘一个挂钩,它的粘力很强大,但是它几乎不可逆转,虽然能从墙上取下来,但是却不能将它再次粘到墙上。实现超强粘附性和可逆性一直是一个挑战。对于水凝胶来说比较困难,因为它们的主要成分是液态水,通常不会强烈粘附在任何材料上。

在这里,文章报告了一种蜗牛粘液启发的粘附机制,其中聚合物凝胶系统表现出类似胶水的粘合强度(高达892 N·cm -2),这也是可逆的。它适用于平坦和粗糙的材料表面。在水合状态下,软化的凝胶通过低能量变形适应材料表面,当弹性模量从几百千帕提高到〜2.3GPa时,类似于蜗牛的粘液作用。蜗牛身体分泌的粘液进入材料表面的不规则处,可以硬化保护身体免受干燥,使蜗牛长时间固定在适当的位置;到了晚上环境变得潮湿,硬化的粘液变软,粘合性能发生逆转。

受蜗牛粘液启发的可逆超级胶水

在日常生活和工业应用中,粘合剂无处不在。实现强粘合力和可逆性(或扭转粘合力的能力)具有挑战性。

在一项新的研究中,宾夕法尼亚大学的工程师展示了一种强力可逆粘合剂,它使用与蜗牛相同的机制。团队的研究人员将成果发表在“美国国家科学院院刊”上,题为“Intrinsically reversible superglues via shape adaptation

inspired by snail epiphragm”。通过在单一材料中结合液体和干燥粘合剂的优点,报告了一种基于水凝胶的可逆性超强粘性粘合剂。

液体粘合剂大规模的应用包括固化后的制作、构造和组装,约1000N·cm – 2粘合力的超级胶水,但强力但不可逆转。硬水凝胶作为一种新型粘合剂已显示出良好的前景具有较高的界面韧性,例如通过双互穿由共价和离子交联组成的网络。然而,它们仅限于特定的目标材料类,适用于潮湿环境。要求水凝胶附着力强,化学、拓扑学和力学的协同作用,缺少一个或多个因素就会导致附着不良。能否设计出一种材料适用于任意表面,但仍能提供粘合强度而且可以逆转是一个需解决的问题。

受蜗牛粘液启发的可逆超级胶水

图1 PHEMA水凝胶超级胶水的设计

蜗牛属于腹足类动物,蜗牛足腺能分泌出粘液,蜗牛粘液可以帮助蜗牛在不同粗糙表面爬行,其作用类似于超级胶水,使它们能够粘附在像岩石这样的粗糙表面上。干燥后,剪切黏液的模量从100 Pa增加到∼1 GPa,附着力强。PHEMA在潮湿时是橡胶状的,但是在干燥时是刚性的;随着PHEMA干燥,它变得像塑料瓶盖一样坚硬,而且不会收缩。

受蜗牛粘液启发的可逆超级胶水

图2 使用玻璃压头对PHEMA水凝胶的压痕实验

受蜗牛粘液启发的可逆超级胶水

图3 PHEMA水凝胶的强粘附性

受蜗牛粘液启发的可逆超级胶水

图4 图案化PHEMA水凝胶优点

湿润柔韧性和干燥后粘合性之间的可逆性是研究目标。研究人员对对PHEMA水凝胶进行的多项测试,评估了其承受重量的能力,PHEMA与蜗牛粘液非常相似,它比壁虎的粘附性强89倍,但是在潮湿时容易破碎。

当它保持干燥时,像是超级胶水,不能把它拉下来。但神奇的是,可以把它重新湿润,然后轻松取下。另外,PHEMA在放大时不会失去强大的黏着力。通常,粘合强度和尺寸之间存在负相关关系。由于PHEMA不依赖于脆弱的结构,因此没有这个问题。虽然PHEMA不是现有最强的粘合剂,但它是目前已知最强的可逆粘合力。

尽管PHEMA有应用前景,但是由于其可逆性受水的控制,因此不适合大多数行业。但它可以作为可逆粘合剂的方向。(互联网)

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