能在水里使用的膠水？水下黏附新技能get！

出品：科普中國

作者：秦晨曦（中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

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

對聯(lián)

（圖片來源：Veer圖庫）

人類的生活離不開黏附，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、航海機械工程（涂層黏附、膠黏劑）、智能機器人（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，這主要是因為膠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現(xiàn)超強水下黏附的關(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，能夠通過疏水排斥作用有效去除界面水。此外，使用吸水填料（包括無機物和親水性聚合物）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，因此很難實現(xiàn)高強度的水下黏附。

什么方法能有效、徹底去除界面水，保證界面實現(xiàn)良好的黏附呢？

黏附的應(yīng)用

（圖片來源：Veer圖庫）

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

首先，基于黏附膠優(yōu)異的潤濕性實現(xiàn)在毫米尺度對界面水的物理替代；其次，通過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，實現(xiàn)在微米尺度對界面水的物理屏蔽；最后，在分子尺度基于化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)對界面結(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，會迅速地浸潤和鋪展；與此同時，膠液周圍會生成一圈氣泡，有助于把表面的水排開，給膠水和黏附界面的充分接觸提供了條件；隨著時間的增加，濕黏附膠的流動性消失，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，黏附膠將會把兩個目標(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對膠黏劑具有極強的破壞作用，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)對水的惰性、穩(wěn)定的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和深度去水化機制，依然保持較高的黏附強度和穩(wěn)定的黏附性能。

這種黏附膠有什么用呢？在建設(shè)海洋強國的大背景下，我國逐漸從“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，這將帶來不可估量的損失。因此，怎樣及時發(fā)現(xiàn)和修復(fù)是應(yīng)對突發(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、高強度黏附，且?guī)в凶詸z測功能的膠黏劑，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外界能量輸入的自適應(yīng)交聯(lián)特性，該黏附膠也有望實現(xiàn)水下固沙應(yīng)用。

水下膠黏劑去水化過程及自適應(yīng)黏附示意圖

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

氣膜去除界面水的動態(tài)過程

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

該黏附研究成果在水下密封、黏附故障檢測方面具有較大的應(yīng)用潛力，為發(fā)展簡單、便捷、快速的修復(fù)技術(shù)提供支撐，有望實現(xiàn)艦船運動過程中迅速有效解決漏水問題，目前正在跟用戶單位聯(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.