為了解決上述問(wèn)題，南京大學(xué)李承輝教授課題組以含有多氫鍵作用的超分子聚合物(SMP)為基體再與石墨烯納米片(GNs)共混制備出具有可調(diào)粘合性質(zhì)的變剛度復(fù)合材料(SMP/GNs)。得益于體系中大量的羧基與氨基，SMP/GNs復(fù)合材料對(duì)多種表面(如鋼、鐵等)均表現(xiàn)出卓越且可重復(fù)的粘合作用，對(duì)玻璃表面具有可達(dá)6.48 MPa的剪切粘接強(qiáng)度。與此同時(shí)，所設(shè)計(jì)的SMP/GNs復(fù)合材料還表現(xiàn)出優(yōu)異的變剛度性、導(dǎo)電性、修復(fù)性和可回收性等。通過(guò)施加不同大小的電壓，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料粘合力大小與有無(wú)的調(diào)控。相關(guān)工作近期以題為“A Variable Stiffness Adhesive Enabled by Joule Heating Effect”發(fā)表在了《Chemical Engineering Journal》上（DOI：10.1016/j.cej.2021.133840），該復(fù)合材料有望在可穿戴設(shè)備、軟體機(jī)器人和驅(qū)動(dòng)器等領(lǐng)域上得到廣泛應(yīng)用。南京大學(xué)博士生張敏浩為論文第一作者，通訊作者為南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院李承輝教授。

在制備過(guò)程中，首先以1,12-二氨基十二烷和丙烯酸為原料合成出含有大量羧基與氨基存在的超分子聚合物(SMP)體系。再將所得超分子聚合物與石墨烯納米片共混加工，得到具有熱塑性質(zhì)的SMP/GNs復(fù)合材料(圖1)。

圖1 SMP的合成與氫鍵作用以及SMP/GNs復(fù)合材料的制備

對(duì)材料進(jìn)行拉伸測(cè)試與流變學(xué)測(cè)試可知，復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度對(duì)溫度具有高度敏感性，其模量大小隨溫度升高而減小，說(shuō)明材料具有優(yōu)良的變剛度性質(zhì)。同時(shí)溫度循環(huán)流變測(cè)試表明材料的變剛度性具有可循環(huán)性和高重復(fù)性的特征(圖2)。

圖2 SMP/GNs復(fù)合材料的機(jī)械性質(zhì)與流變學(xué)性質(zhì)

對(duì)材料進(jìn)行粘合性測(cè)試，制備的復(fù)合材料對(duì)多種表面(如鋼、鐵、玻璃等)具有優(yōu)異的粘合性質(zhì)，其中對(duì)玻璃的剪切粘接強(qiáng)度可達(dá)6.48 MPa，并且可重復(fù)多次使用。通過(guò)熱壓冷卻的方式使用SMP/GNs將兩塊鋼板粘合起來(lái)，0.2 g的粘合劑便可承載20 kg以上的重量(圖3)。

圖3 SMP/GNs復(fù)合材料的粘合性質(zhì)

由于基體材料SMP的多氫鍵和變剛度性質(zhì)，在加熱時(shí)體系中部分羧基與氨基暴露出來(lái)，與物體表面發(fā)生作用，產(chǎn)生粘附性。而當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，由于氫鍵解離材料自身模量下降，導(dǎo)致粘附性變?nèi)酢Ｍㄟ^(guò)不同溫度下復(fù)合材料的粘附力測(cè)試，表明粘附力隨溫度升高具有先上升后下降的特性(圖4)。

圖4 溫度對(duì)SMP/GNs復(fù)合材料粘合性質(zhì)的影響

利用復(fù)合材料粘附力隨溫度變化的性質(zhì)，研究團(tuán)隊(duì)基于SMP/GNs制作出簡(jiǎn)易的電驅(qū)動(dòng)夾持器，施加電壓便可粘附不同形狀的物體。此外，通過(guò)改變施加電壓的大小，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的粘附與剝離，為電驅(qū)動(dòng)萬(wàn)用夾持器的設(shè)計(jì)提供了新的方案(圖5)。

圖5 基于SMP/GNs復(fù)合材料的簡(jiǎn)易電驅(qū)動(dòng)夾持器

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133840