國儀電鏡助力PANC/T-Fe水凝膠在不同環(huán)境溫度下的微觀結(jié)構(gòu)分析

更新時間：2025-07-30 點擊次數(shù)：435

福州大學賴躍坤教授團隊針對可穿戴傳感器、軟機器人、組織工程和傷口敷料等領(lǐng)域?qū)娬掣叫运z的迫切需求，開展了創(chuàng)新性研究。目前，界面粘附傳感材料普遍存在兩大技術(shù)瓶頸：一是難以實現(xiàn)粘附與非粘附狀態(tài)間的快速可逆轉(zhuǎn)換，二是多液體環(huán)境中的粘附性能表現(xiàn)不佳。近期，該團隊借助國儀量子掃描電鏡進行了深入研究。通過丙烯酰胺（AAm）、N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）、由十二烷基硫酸鈉/甲基丙烯酸十八烷基酯/氯化鈉（SDS/OMA/NaCl）組成的膠束溶液和磷鎢酸（PTA），合成了PANC/T水凝膠。

通過PNIPAM鏈段和SDS的動態(tài)相互作用，實現(xiàn)了按需粘附和分離。在此基礎(chǔ)上，進一步通過Fe3?溶液的浸泡，制備的PANC/T-Fe水凝膠可以在多種濕環(huán)境下的實現(xiàn)強粘附。最終開發(fā)出一種具有快速響應(yīng)特性的智能界面粘合水凝膠，可在不同濕度條件下實現(xiàn)按需粘附與分離。該研究以題為“Temperature-Mediated Controllable Adhesive Hydrogels with Remarkable Wet Adhesion Properties Based on Dynamic Interchain Interactions"的論文發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。

國儀電鏡助力PANC/T-Fe水凝膠在不同環(huán)境溫度下的微觀結(jié)構(gòu)分析

可控粘附水凝膠的合成與結(jié)構(gòu)特性

PANC/T-Fe水凝膠由親水性AAm、兼具親水和疏水特性的NIPAM以及疏水性O(shè)MA通過共聚反應(yīng)合成，其中PTA起到交聯(lián)作用，與聚合物鏈上的氨基形成氫鍵，構(gòu)建起穩(wěn)定的聚合物網(wǎng)絡(luò)。在實驗過程中，該團隊發(fā)現(xiàn)NIPAM和SDS間的相互作用對水凝膠的溫度敏感粘附性能至關(guān)重要。隨著溫度降低，SDS結(jié)晶易于附著在PNIPAM鏈段，阻礙粘附功能基團與基材作用，導致粘附力下降；溫度升高時，結(jié)晶融化，粘附基團與基材接觸更好，粘附力顯著提升。PTA的引入增強了水凝膠在高溫下的粘附力，因其與聚合物鏈的氨基存在物理相互作用，溫度升高時該相互作用被破壞，使水凝膠變軟，與底物形成更多粘附位點。通過水凝膠聚合物鏈間的動態(tài)調(diào)節(jié)實現(xiàn)了可逆的按需粘附。

圖1. 水凝膠合成及可逆濕粘附作用機理圖。

溫度對粘附性能的調(diào)控機制

該團隊通過一系列對比實驗發(fā)現(xiàn)，NIPAM和膠束溶液的協(xié)同作用是水凝膠溫度敏感粘附性能的關(guān)鍵因素。差示掃描量熱法（DSC）測試結(jié)果表明，溫度響應(yīng)與NIPAM的最低臨界溶解溫度（LCST）無關(guān)，但NIPAM與SDS之間存在相互作用，影響了SDS的結(jié)晶溫度。原位FT-IR測試進一步揭示了溫度升高會削弱鏈間氫鍵，釋放更多的粘附基團，從而增強粘附性能。流變學分析也證實了溫度變化對水凝膠分子鏈間相互作用的顯著影響，使其從剛性轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝浴?/span>

圖2.水凝膠溫度敏感粘附性機理探究

按需粘附特性與濕環(huán)境強粘附性能

PANC/T-Fe 水凝膠具有按需粘附特性，無需外部能量輸入，僅通過簡單冰敷即可實現(xiàn)粘附轉(zhuǎn)換。在室溫（25°C）下，水凝膠柔軟且粘性強，與玻璃分離時不易剝離且會產(chǎn)生殘留；通過簡單的冰敷，凝膠內(nèi)聚力增加，彈性增強，剝離變?yōu)榱夹詣冸x，且低溫下粘附強度降低，冷卻時間延長也會降低粘附強度。溫度循環(huán)測試表明，其粘附性能在5°C至 25°C的多次循環(huán)測試中基本保持不變，展現(xiàn)出良好的可逆性，可在多種環(huán)境中按需粘附，在組織愈合、材料按需修復和濕環(huán)境驅(qū)動器等方面具有重要應(yīng)用潛力。

圖3. 具有可逆粘附性的PANC/T-Fe水凝膠的性能測試

PANC/T-Fe水凝膠多種液態(tài)環(huán)境的濕粘附性能

在液體環(huán)境中，該水凝膠的表現(xiàn)同樣令人矚目。水凝膠中的共聚物鏈含有親水和疏水單元，經(jīng) Fe3?處理后，親水和疏水鏈段在表面遷移重排，在水和油環(huán)境中均實現(xiàn)強粘附。利用國儀量子的電鏡(SEM3100)觀察了水凝膠鏈誘導遷移前后的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，驗證水凝膠的網(wǎng)絡(luò)變化。通過研究 NIPAM 和 PTA 對粘附性能的影響，發(fā)現(xiàn)二者共同作用使水凝膠在不同環(huán)境中表現(xiàn)出色，在干燥、水和油環(huán)境中的粘附強度分別可達 121kPa、227kPa 和 213kPa。對多種基材如玻璃、金屬、木材等均能產(chǎn)生強粘附，在多種有機溶劑和水溶液中也表現(xiàn)出良好的粘附性能。

圖4.PANC/T-Fe水凝膠在多種液態(tài)環(huán)境下的濕粘附性能

圖 S10. Fe³⁺浸泡前后PANC/T水凝膠截面的SEM圖像顯示，F(xiàn)e³⁺浸泡后，PANC/T水凝膠內(nèi)部的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變得更加松散，表明鏈的遷移。

PANC/T-Fe水凝膠對破損材料的修復性能

該團隊研究的PANC/T-Fe水凝膠在實際應(yīng)用中具有廣泛的前景，可用于材料損傷的臨時修復。例如，在船模漏洞修復實驗中，水凝膠能迅速阻止液體滲漏，修復后的船只可承受一定重量且無泄漏。在水和油環(huán)境中修復受損基底時，水凝膠能承受較高的最大爆破壓力（分別為57 kPa 和49 kPa）。當需要剝離水凝膠時，通過冰敷即可輕松實現(xiàn)，且不會殘留膠體，這一特性在生物醫(yī)學、智能材料等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。展示了其在實際應(yīng)用中的巨大潛力。

圖5.PANC/T-Fe水凝膠對材料的臨時修復性能

總結(jié)

該研究成功合成了具有多種環(huán)境強粘附和可逆粘附性能的 PANC/T-Fe 水凝膠，深入揭示了動態(tài)鏈間相互作用對水凝膠粘附性能的影響機制，為新型智能粘附材料的設(shè)計提供了理論依據(jù)。其按需粘附特性無需外部能量，僅通過冰敷即可實現(xiàn)，為智能粘附材料在液體環(huán)境中的應(yīng)用提供了新思路。這種水凝膠在粘附性能調(diào)控方面的創(chuàng)新，有望在多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，推動智能粘合劑技術(shù)的發(fā)展，為解決材料粘附相關(guān)問題提供了新的解決方案。

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