分享一篇发表在ACS Appl. Mater. Interfaces上的文章，题为：Thioctic Acid-Based Solvent-Free and Recoverable Adhesive for Dry/Wet Environments。本文的通讯作者是来自新兴际华集团的Jing Liu和来自四川大学的阎斌教授。
粘合剂在增强金属材料灵活性和优化应力分布等方面发挥着关键作用。然而，传统粘合剂如环氧树脂、聚氨酯和丙烯酸树脂等，在制备过程中通常需要使用溶剂和加热，这不仅对环境造成负担，还限制了粘合剂的可持续性和可回收性。此外，这些粘合剂在金属表面的残留问题也影响了金属的回收利用。近年来，随着环保意识的提升，研究人员开始探索基于生物质材料的无溶剂、可降解粘合剂。尽管已有一些基于天然高分子如阿拉伯胶和淀粉胶的生物基粘合剂，但它们的粘合强度和耐湿性较差，限制了其实际应用。
本文作者通过结合硫辛酸（TA）、其衍生物乙基硫辛酸（Elp）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP），开发出了一种既环保又高性能的粘合剂（p(Elp-TA)+PVP）。作者将Elp和TA混合后加入PVP，随后加入少量盐酸作为催化剂，在室温下引发二硫戊环的阳离子开环聚合反应。与传统粘合剂相比，该粘合剂在室温下快速合成，无需溶剂和加热。二硫键的断裂和重组使得聚合物链具有动态共价键的特性，赋予粘合剂自愈合和闭环回收的能力。PVP中的吡咯烷酮环能够与p(Elp-TA)分子链上的羧基形成氢键，增强分子间的相互作用力，提高了粘合剂的粘度，为金属粘合领域带来了新的解决方案。
图1. 混合胶粘剂p(Elp-TA)+PVP制备示意图
接着，作者优化了粘合剂的配方。结果表明，随着Elp比例的增加，剪切强度先增加后减少，在Elp/TA摩尔比为2.5时达到最大值138 kPa。而TA比例的增加使得粘合剂的储能模量(G’)和损耗模量(G’’)都更高。同时，加入PVP能够通过形成氢键网络的方式增强粘合强度，因此最佳的PVP含量对于优化粘合剂的性能至关重要。随着PVP含量的增加，剪切强度先增加后减少，在PVP含量为5 wt%时达到最大值约1016 kPa。
分子动力学模拟结果表明，相较于不加入PVP的p(Elp-TA)而言，PVP的加入能够显著增加粘合剂分子间的氢键数量，缩短平均键长，有助于增强粘合强度。两种粘合剂与铜表面的相互作用能（吸附能）随时间的变化如图3.b&c所示，加入PVP显著增强了粘合剂与铜表面之间的相互作用能，有助于在更短时间内形成更强的粘合界面，p(Elp-TA)+PVP组在40 ps时已经达到平衡状态，其整体结构和形态随时间变化不大。
最后，作者对粘合剂的多方面性能进行了评估。涂层量对粘合效果有较大的影响，当用量为10 mg/cm2时，最大断裂力接近500 N，剪切强度达到最大值约1108 kPa。此外，固化时间是影响粘合剂性能的关键因素之一。足够的固化时间允许粘合剂分子充分交联和重组，形成更强的粘合界面。结果表明，随着固化时间的增强，粘合剂的剪切强度逐渐增加，并在24小时后达到稳定值约1123 kPa。与商业粘合剂相比，p(Elp-TA)+PVP无论是在干燥还是湿润环境中，都表现出了更强的粘合效果。在使用结束后，通过添加二硫苏糖醇（DTT）作为还原剂，粘合剂可以迅速降解并易于从粘合的铜板上分离。能够通过简单的化学处理实现降解和回收，这对于减少环境污染和节约资源具有重要意义。
综上所述，作者通过结合 TA、Elp 和 PVP，提出了一种具有优异干/湿粘附性的新型铜粘合剂p(Elp-TA)+PVP，在绿色回收和水下金属粘合领域具有潜在的应用价值。
DOI: 10.1021/acsami.4c13121
Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c13121
