國(guó)儀電鏡助力PANC/T-Fe水凝膠在不同環(huán)境溫度下的微觀結(jié)構(gòu)分析

更新時(shí)間：2025-07-30 點(diǎn)擊次數(shù)：309

福州大學(xué)賴躍坤教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)可穿戴傳感器、軟機(jī)器人、組織工程和傷口敷料等領(lǐng)域?qū)?qiáng)粘附性水凝膠的迫切需求，開(kāi)展了創(chuàng)新性研究。目前，界面粘附傳感材料普遍存在兩大技術(shù)瓶頸：一是難以實(shí)現(xiàn)粘附與非粘附狀態(tài)間的快速可逆轉(zhuǎn)換，二是多液體環(huán)境中的粘附性能表現(xiàn)不佳。近期，該團(tuán)隊(duì)借助國(guó)儀量子掃描電鏡進(jìn)行了深入研究。通過(guò)丙烯酰胺（AAm）、N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）、由十二烷基硫酸鈉/甲基丙烯酸十八烷基酯/氯化鈉（SDS/OMA/NaCl）組成的膠束溶液和磷鎢酸（PTA），合成了PANC/T水凝膠。

通過(guò)PNIPAM鏈段和SDS的動(dòng)態(tài)相互作用，實(shí)現(xiàn)了按需粘附和分離。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過(guò)Fe3?溶液的浸泡，制備的PANC/T-Fe水凝膠可以在多種濕環(huán)境下的實(shí)現(xiàn)強(qiáng)粘附。最終開(kāi)發(fā)出一種具有快速響應(yīng)特性的智能界面粘合水凝膠，可在不同濕度條件下實(shí)現(xiàn)按需粘附與分離。該研究以題為“Temperature-Mediated Controllable Adhesive Hydrogels with Remarkable Wet Adhesion Properties Based on Dynamic Interchain Interactions"的論文發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。

國(guó)儀電鏡助力PANC/T-Fe水凝膠在不同環(huán)境溫度下的微觀結(jié)構(gòu)分析

可控粘附水凝膠的合成與結(jié)構(gòu)特性

PANC/T-Fe水凝膠由親水性AAm、兼具親水和疏水特性的NIPAM以及疏水性O(shè)MA通過(guò)共聚反應(yīng)合成，其中PTA起到交聯(lián)作用，與聚合物鏈上的氨基形成氫鍵，構(gòu)建起穩(wěn)定的聚合物網(wǎng)絡(luò)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)NIPAM和SDS間的相互作用對(duì)水凝膠的溫度敏感粘附性能至關(guān)重要。隨著溫度降低，SDS結(jié)晶易于附著在PNIPAM鏈段，阻礙粘附功能基團(tuán)與基材作用，導(dǎo)致粘附力下降；溫度升高時(shí)，結(jié)晶融化，粘附基團(tuán)與基材接觸更好，粘附力顯著提升。PTA的引入增強(qiáng)了水凝膠在高溫下的粘附力，因其與聚合物鏈的氨基存在物理相互作用，溫度升高時(shí)該相互作用被破壞，使水凝膠變軟，與底物形成更多粘附位點(diǎn)。通過(guò)水凝膠聚合物鏈間的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了可逆的按需粘附。

圖1. 水凝膠合成及可逆濕粘附作用機(jī)理圖。

溫度對(duì)粘附性能的調(diào)控機(jī)制

該團(tuán)隊(duì)通過(guò)一系列對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，NIPAM和膠束溶液的協(xié)同作用是水凝膠溫度敏感粘附性能的關(guān)鍵因素。差示掃描量熱法（DSC）測(cè)試結(jié)果表明，溫度響應(yīng)與NIPAM的最低臨界溶解溫度（LCST）無(wú)關(guān)，但NIPAM與SDS之間存在相互作用，影響了SDS的結(jié)晶溫度。原位FT-IR測(cè)試進(jìn)一步揭示了溫度升高會(huì)削弱鏈間氫鍵，釋放更多的粘附基團(tuán)，從而增強(qiáng)粘附性能。流變學(xué)分析也證實(shí)了溫度變化對(duì)水凝膠分子鏈間相互作用的顯著影響，使其從剛性轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝浴?/span>

圖2.水凝膠溫度敏感粘附性機(jī)理探究

按需粘附特性與濕環(huán)境強(qiáng)粘附性能

PANC/T-Fe 水凝膠具有按需粘附特性，無(wú)需外部能量輸入，僅通過(guò)簡(jiǎn)單冰敷即可實(shí)現(xiàn)粘附轉(zhuǎn)換。在室溫（25°C）下，水凝膠柔軟且粘性強(qiáng)，與玻璃分離時(shí)不易剝離且會(huì)產(chǎn)生殘留；通過(guò)簡(jiǎn)單的冰敷，凝膠內(nèi)聚力增加，彈性增強(qiáng)，剝離變?yōu)榱夹詣冸x，且低溫下粘附強(qiáng)度降低，冷卻時(shí)間延長(zhǎng)也會(huì)降低粘附強(qiáng)度。溫度循環(huán)測(cè)試表明，其粘附性能在5°C至 25°C的多次循環(huán)測(cè)試中基本保持不變，展現(xiàn)出良好的可逆性，可在多種環(huán)境中按需粘附，在組織愈合、材料按需修復(fù)和濕環(huán)境驅(qū)動(dòng)器等方面具有重要應(yīng)用潛力。

圖3. 具有可逆粘附性的PANC/T-Fe水凝膠的性能測(cè)試

PANC/T-Fe水凝膠多種液態(tài)環(huán)境的濕粘附性能

在液體環(huán)境中，該水凝膠的表現(xiàn)同樣令人矚目。水凝膠中的共聚物鏈含有親水和疏水單元，經(jīng) Fe3?處理后，親水和疏水鏈段在表面遷移重排，在水和油環(huán)境中均實(shí)現(xiàn)強(qiáng)粘附。利用國(guó)儀量子的電鏡(SEM3100)觀察了水凝膠鏈誘導(dǎo)遷移前后的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證水凝膠的網(wǎng)絡(luò)變化。通過(guò)研究 NIPAM 和 PTA 對(duì)粘附性能的影響，發(fā)現(xiàn)二者共同作用使水凝膠在不同環(huán)境中表現(xiàn)出色，在干燥、水和油環(huán)境中的粘附強(qiáng)度分別可達(dá) 121kPa、227kPa 和 213kPa。對(duì)多種基材如玻璃、金屬、木材等均能產(chǎn)生強(qiáng)粘附，在多種有機(jī)溶劑和水溶液中也表現(xiàn)出良好的粘附性能。

圖4.PANC/T-Fe水凝膠在多種液態(tài)環(huán)境下的濕粘附性能

圖 S10. Fe³⁺浸泡前后PANC/T水凝膠截面的SEM圖像顯示，F(xiàn)e³⁺浸泡后，PANC/T水凝膠內(nèi)部的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變得更加松散，表明鏈的遷移。

PANC/T-Fe水凝膠對(duì)破損材料的修復(fù)性能

該團(tuán)隊(duì)研究的PANC/T-Fe水凝膠在實(shí)際應(yīng)用中具有廣泛的前景，可用于材料損傷的臨時(shí)修復(fù)。例如，在船模漏洞修復(fù)實(shí)驗(yàn)中，水凝膠能迅速阻止液體滲漏，修復(fù)后的船只可承受一定重量且無(wú)泄漏。在水和油環(huán)境中修復(fù)受損基底時(shí)，水凝膠能承受較高的最大爆破壓力（分別為57 kPa 和49 kPa）。當(dāng)需要?jiǎng)冸x水凝膠時(shí)，通過(guò)冰敷即可輕松實(shí)現(xiàn)，且不會(huì)殘留膠體，這一特性在生物醫(yī)學(xué)、智能材料等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。展示了其在實(shí)際應(yīng)用中的巨大潛力。

圖5.PANC/T-Fe水凝膠對(duì)材料的臨時(shí)修復(fù)性能

總結(jié)

該研究成功合成了具有多種環(huán)境強(qiáng)粘附和可逆粘附性能的 PANC/T-Fe 水凝膠，深入揭示了動(dòng)態(tài)鏈間相互作用對(duì)水凝膠粘附性能的影響機(jī)制，為新型智能粘附材料的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。其按需粘附特性無(wú)需外部能量，僅通過(guò)冰敷即可實(shí)現(xiàn)，為智能粘附材料在液體環(huán)境中的應(yīng)用提供了新思路。這種水凝膠在粘附性能調(diào)控方面的創(chuàng)新，有望在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，推動(dòng)智能粘合劑技術(shù)的發(fā)展，為解決材料粘附相關(guān)問(wèn)題提供了新的解決方案。

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