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暨南大betway88w投注刘明贤教授团队:甲壳素纳米晶作为环境友好型粘合剂
2021-03-05  来源:科技

  粘合剂是一种将两种材料通过界面的粘附和内聚连接在一起的物质,在我们的日常生活中起着至关重要的作用,在宇航、交通运输、仪器仪表、电子电器、机械制造、生活用品等领域有着广泛的应用。目前。常见的粘合剂大多是有机溶剂型粘合剂,在使用过程中会释放挥发性有机物(VOC)。随着人们对环境问题的日益重视,粘合剂中的VOC对环境的污染和对人体健康的危害已经成为一个急需解决的问题。VOC可能会对健康造成短期和长期的不良影响,包括对眼睛、鼻腔、口腔和肺部的刺激,导致头痛、恶心、呼吸系统问题以及对肝脏、肾脏和中枢神经系统的损害。因此,寻找一种绿色、环保、高粘接强度的非有机溶剂迫在眉睫。


  近日,暨南大betway88w投注化betway88w投注与材料betway88w投注院刘明贤教授团队提出了一种基于甲壳素纳米晶须(ChNCs)水分散液制备的纳米粘合剂,该粘合剂仅通过来源于蟹壳的ChNCs即可形成一种高粘合强度的环保粘合剂(图1)。


图1. ChNCs悬浮液的粘合流程图


  在该研究中,ChNCs悬浮液,在受限空间中蒸发诱导自组装的作用下,在粘合物体界面形成超分子结构的粘附层。蒸发过程中,受毛细管力,范德华力、静电作用力等产生的应力影响,ChNCs排列成高度有序的层状结构。ChNCs的这种长程有序的结构还会产生显着的各向异性粘合强度。它在平行于粘合主平面方向上的粘合强度可达5.2 MPa,0.25mg的甲壳素纳米晶粘合的玻璃片样品可以轻易提起25 kg的水桶(视频1)。而垂直于该平面方向的强度仅为0.4 MPa,各向异性粘合强度比大于10。粘合稳定性是影响ChNCs粘合剂实际应用的重要因素。通过敲击和掉落测试,可以看出纳米胶在保持高粘附各向异性的同时表现出良好的稳定性(视频2),这可归因于高接触面积、强的氢键和范德华力相互作用(图2)。


图2. ChNCs纳米胶的粘合性能:ChNCs纳米胶样品的面内(A)和面外实物载荷(B)分别为F∥>250.00 N和F⊥>15.00 N;不同浓度ChNCs纳米胶的面内(C,D)和面外(E,F)载荷直方图和载荷-位移曲线;不同浓度ChNCs纳米胶平面内粘合剪切强度(G)以及对应的粘合强度各向异性直方图(H);粘合载玻片的稳定性试验(I):侧面敲击试验(粉色)、正面敲击试验(紫色)、整体跌落试验(红色方框)。


  研究还测试了ChNCs粘合剂在不同材料的粘合能力,所测试的材料包括玻璃、金属、木材、betway88w投注以及它们的组合。值得注意的是,无论基底的表面是平滑的(玻璃)还是粗糙的(木材),ChNCs粘合剂仍然可以实现粘合。这些结果表明,ChNCs纳米胶的粘合性能并不局限于特定材料的表面,说明ChNCs纳米胶具有广阔的应用前景。


  为了了解这种新型黏合剂的粘合机制和破坏机制,论文研究了粘合区的微观结构,发现其是在蒸发过程中形成的自组装结构(图3和视频3)。从SEM图中看到ChNCs沿条纹有序取向,当其受应力作用被破坏时,ChNCs的方向转向应力方向。从图3中看清晰看出,ChNCs纳米胶有两种主要的失效机制:粘合剂本身的失效(主要)以及粘合剂与基底的脱粘(次要)。


图3. ChNCs纳米胶的失效机理:用体式显微镜观察玻璃片粘接失效前后的照片(A);代表ChNCs条纹与基底之间粘附失效的SEM图像(B,C);说明沿施加应力方向条纹断裂的粘结失效位置(D,E;蓝色箭头和“F”表示应力方向,黄色框表示在应力作用下半分离的ChNCs条纹)。


  该工作以“Chitin Nanocrystals as an Eco-friendly and Strong Anisotropic Adhesive”为题目发表于《ACS Applied Materials & Interfaces》。论文第一作者为暨南大betway88w投注化betway88w投注与材料betway88w投注院硕士刘宏忠刘明贤教授为论文唯一通讯作者。


  文章链接:https://doi.org/10.1021/acsami.1c02000

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(责任编辑:xu)
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