能在水里使用的膠水？水下黏附新技能get！

出品：科普中國(guó)

作者：秦晨曦（中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

以前過(guò)年時(shí)，家里都會(huì)用自己熬的面糊（漿糊）來(lái)貼春聯(lián)，但這種方式貼的對(duì)聯(lián)一般不牢靠，一旦受到雨水浸潤(rùn)，非常容易脫落。除了漿糊，日常生活中的黏附材料非常多，如補(bǔ)輪胎的膠水和透明膠帶等。在使用過(guò)程中，長(zhǎng)輩經(jīng)常會(huì)囑咐我們粘之前要把表面的水擦干凈，不然粘不牢。這說(shuō)明，表面有水會(huì)削弱界面黏附，這其實(shí)是一種水分子對(duì)黏附界面的破壞造成的粘接失效。

對(duì)聯(lián)

（圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)）

人類(lèi)的生活離不開(kāi)黏附，與黏附相關(guān)的材料和技術(shù)已應(yīng)用到各行各業(yè)，如航天、航空、航海機(jī)械工程（涂層黏附、膠黏劑）、智能機(jī)器人（可逆黏附和傳感裝置）、可穿戴設(shè)備（電子皮膚）和生物醫(yī)學(xué)（傷口敷料、骨粘連和快速止血）等。然而對(duì)于常規(guī)的黏附劑而言，一旦在潮濕或含水環(huán)境中，都很難保證良好的粘接，這主要是因?yàn)槟z黏劑與基材之間的水膜阻礙了二者的充分接觸和分子間相互作用的形成。因此，去除這層界面水就成為實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)水下黏附的關(guān)鍵。

如何去除？迄今為止，研究人員已經(jīng)發(fā)展了多種不同的除水方法，如通過(guò)擠壓、疏水排斥和吸附。具體而言，研究人員基于表面微納結(jié)構(gòu)的制造和施加的預(yù)緊力來(lái)去除界面水和促進(jìn)界面接觸。黏附劑聚合物中的疏水鏈段具有良好的憎水性，能夠通過(guò)疏水排斥作用有效去除界面水。此外，使用吸水填料（包括無(wú)機(jī)物和親水性聚合物）也能有效去除界面水化膜。然而，單一的物理去水化方式，并不能完全去除界面水，尤其是存在于膠黏劑與基材表面之間水合水，因此很難實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的水下黏附。

什么方法能有效、徹底去除界面水，保證界面實(shí)現(xiàn)良好的黏附呢？

黏附的應(yīng)用

（圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)）

近日，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所周峰研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種物理和化學(xué)耦合的去除界面水膜的方法，該方法包括多個(gè)尺度的去水化過(guò)程。

首先，基于黏附膠優(yōu)異的潤(rùn)濕性實(shí)現(xiàn)在毫米尺度對(duì)界面水的物理替代；其次，通過(guò)膠黏劑中異氰酸酯片段與水的化學(xué)反應(yīng)而形成的氣膜，實(shí)現(xiàn)在微米尺度對(duì)界面水的物理屏蔽；最后，在分子尺度基于化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)界面結(jié)合水的消耗。

不同于單一的物理去水化方法，這種物理和化學(xué)協(xié)同的方式能夠有效地實(shí)現(xiàn)從宏觀界面水到微觀結(jié)合水的去除，保證了黏附膠優(yōu)異的水下黏附性能。而基于這種方法，研究人員發(fā)展了一種濕黏附膠，不同于日常生活中使用的膠水（一旦遇到水立馬變成沒(méi)有粘性的硬質(zhì)塑料），這種膠能在水下直接使用。

該濕黏附膠一旦擠涂到被粘物體表面，會(huì)迅速地浸潤(rùn)和鋪展；與此同時(shí)，膠液周?chē)鷷?huì)生成一圈氣泡，有助于把表面的水排開(kāi)，給膠水和黏附界面的充分接觸提供了條件；隨著時(shí)間的增加，濕黏附膠的流動(dòng)性消失，其內(nèi)聚能增加，基于前期充分形成的界面接觸狀態(tài)和相互作用，黏附膠將會(huì)把兩個(gè)目標(biāo)接觸面牢牢粘接在一起。該黏附劑具有非常優(yōu)異的黏附性能，在水中（淡水）黏附強(qiáng)度達(dá)到1600kPa,相當(dāng)于手掌大小的黏附面積，能夠掛起1.6噸的重物（相當(dāng)于一輛普通小轎車(chē)的重量）。

相比淡水，海水組分更加復(fù)雜，海水中的鹽分和較高的pH對(duì)膠黏劑具有極強(qiáng)的破壞作用，極易導(dǎo)致膠黏劑水化、溶解和失效。然而，在海水中該膠黏劑憑借自身官能團(tuán)對(duì)水的惰性、穩(wěn)定的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和深度去水化機(jī)制，依然保持較高的黏附強(qiáng)度和穩(wěn)定的黏附性能。

這種黏附膠有什么用呢？在建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的大背景下，我國(guó)逐漸從“淺藍(lán)”走向“深藍(lán)”。

膠粘劑廣泛應(yīng)用于不同的水下工程，如船體、水下管路、水下機(jī)器人部件中的粘接與密封。然而，在苛刻的海水環(huán)境中，粘接界面極易受到海水的侵蝕而失效，這將帶來(lái)不可估量的損失。因此，怎樣及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修復(fù)是應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況最重要的環(huán)節(jié)之一。

這款可在水下直接作業(yè)、深度去水化、高強(qiáng)度黏附，且?guī)в凶詸z測(cè)功能的膠黏劑，在水下工程領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用。添加碳納米管的黏附膠具有傳感特性，可根據(jù)黏附膠自身反饋的導(dǎo)電情況去監(jiān)測(cè)其安全狀態(tài)，如輪船在航行中突發(fā)破損，其黏附材料的電導(dǎo)率將會(huì)發(fā)生突變，我們可馬上采取措施，在破損處進(jìn)行帶水修復(fù)。除此之外，憑借良好的粘接性能和無(wú)外界能量輸入的自適應(yīng)交聯(lián)特性，該黏附膠也有望實(shí)現(xiàn)水下固沙應(yīng)用。

水下膠黏劑去水化過(guò)程及自適應(yīng)黏附示意圖

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

氣膜去除界面水的動(dòng)態(tài)過(guò)程

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

該黏附研究成果在水下密封、黏附故障檢測(cè)方面具有較大的應(yīng)用潛力，為發(fā)展簡(jiǎn)單、便捷、快速的修復(fù)技術(shù)提供支撐，有望實(shí)現(xiàn)艦船運(yùn)動(dòng)過(guò)程中迅速有效解決漏水問(wèn)題，目前正在跟用戶(hù)單位聯(lián)合研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。

在水下黏附中，界面水是非常重要的影響因素，因此多尺度去水化是實(shí)現(xiàn)界面牢固黏附的前提。目前，多尺度去水化方式的研究還處于初級(jí)階段，還有待進(jìn)一步探索更多的去水化方式。我們相信該部分的研究結(jié)果將會(huì)為發(fā)展不同適用環(huán)境的高性能黏附材料提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1]Qin C, Ma Y, Zhang Z, et al. Water-assisted strong underwater adhesion via interfacial water removal and self-adaptive gelation [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2023, 120(31), e2301364120.