聚合物和导电填料在水环境中易通过与水分子相结合而变得不稳定，因此要在水中兼顾黏附和传感性能仍有较大难度。近年来，研究者们提出了一系列兼具湿态黏附和水下传感的固态胶粘剂（胶带或凝胶），为胶粘剂在湿环境下的传感应用提供了崭新思路。然而，固态胶粘剂中的聚合物被交联点束缚，难以贴合不平整表面，同时也难以渗透到底物表层形成分子链互锁结构。因此，使用前尚未交联、具有流动性且能在水中自固化的胶水在这方面更具优势，但如何保证导电填料在流动性较强的无定形胶水体系中的稳定性成为了难点。

近日，我校材料科学与工程学院杨晋涛教授团队发现前期所构筑的两性离子单体的前驱体疏水且具有极强的分子作用，有望用于构建湿态黏附胶粘剂。相关成果以“Water-Triggered Spontaneously Solidified Adhesive: From Instant and Strong Underwater Adhesion to In Situ Signal Transmission”为题发表于材料领域权威期刊《Advanced Functional Materials》（IF=19.924），通讯作者为我校杨晋涛教授和郑司雨副研究员，以及香港理工大学的傅济民助理教授，共同一作为硕士研究生周佳慧。

在本文中，作者基于“苯环-唑环”序列聚合物和亲水性离子液体[EMIM][BF4]构建胶水。其中，苯环作为疏水单元抵御水分子的进攻，唑环作为黏附单元与不同材料形成分子相互作用。通过调控含氮基团的结构来增强聚合物与离子液体间的分子作用力，保障离子液体在水中不会完全流失。

图1 胶水的组成及制备

因聚合物能溶于[EMIM][BF4]但不溶于水，胶水在遇水前均一但触水后基于液-液相分离形成小球，通过小球快速聚并固化。其中含三氮唑结构与水作用力最弱而与[EMIM][BF4]作用力最强，因此P₃胶水在水中的固化效率最高。

图2 胶水的快速固化及相关机制

随后作者研究胶水在水中长时浸泡浸泡后各项性能的演变。含三氮唑的P3胶水在溶胀平衡后的离子液体保留率最高（~44.38%）。P₃胶水对玻璃的瞬时（~20 s）粘接强度较高（81.41 kPa），而固化后胶体的拉伸强度和杨氏模量，以及胶水的粘接强度均会随浸泡时间进一步自发增强。由于三氮唑具有较强的刚性和芳香性、同时作用位点较多、与离子液体作用力较强，P₃胶水在电导率、力学强度和粘接强度等方面都较另外两组出色。

图3 胶水在水中溶胀平衡过程中的性能演变

分子模拟显示，含三氮唑的关键功能单元M₃与玻璃的结合能最大，并且在模拟剪切剥离玻璃表面过程中所计算得到的作用力最大。

图4 关键功能分子的模拟

此外，P₃胶水的性能在酸、碱、盐溶液、海水等不同水体中都较为出色，同时对不同类别材料（木头、PDMS、PET、玻璃、铁片、陶瓷、PMMA）都具备良好的粘接性能。得益于胶水良好的流动性，P₃胶水能粘接具有球粒、草纹和不规则粗糙纹路的复杂表面。此外，该胶水的温度耐受范围较宽，在-60℃和80℃等极端温度下仍能维持良好的粘接性能。

图5  P₃胶水在不同情况下的粘接性能

P₃胶水可用于在水下封堵损坏的硬质容器（PET）和软质管路（PDMS），避免其内容物（液体/气体）泄露。同时，固化后的P₃胶体可以原位实时传输裂纹形状的变化，从而监测裂纹是否出现异常情况；同时P₃胶水的荧光功能可作为标记作用，有助于快速辨识修补位置。

图6 P₃胶水的功能应用

浙江工业大学材料科学与工程学院的杨晋涛教授课题组多年来一直从事功能性两性离子聚合物设计、制备及应用相关研究，基于多种含有苯环-唑环结构的特殊两性离子单体，构筑了一系列多功能抗菌聚合物刷（Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2004633; Chem. Eng. J 2017, 333, 1）和高韧性凝胶材料（Chem. Mater. 2021, 33, 8418; Chem. Eng. J 2022, 438, 135607），并在两性离子分子的反聚电解质机制及增韧机制方面展开了深入的探索。

论文信息：

Zheng, S. Y., Zhou, J., Wang, S., Wang, Y.-J., Liu, S., Du, G., Zhang, D., Fu, J., Lin, J., Wu, Z. L., Zheng, Q., Yang, J., Water-Triggered Spontaneously Solidified Adhesive: From Instant and Strong Underwater Adhesion to In Situ Signal Transmission. Adv. Funct. Mater. 2022, 2205597. https://doi.org/10.1002/adfm.202205597.

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202205597