大自然激发了科学家们为许多新兴领域制造粘合材料的灵感。然而，开发一种便捷策略，将可回收性、高强度和水下粘合性能整合于一体，仍是一项艰巨挑战。
为了解决上述问题，受人体环状韧带生物力学特性的启发，张发爱教授团队通过无溶剂热/光协同聚合工艺将硫辛酸（TA）与环状硅氧烷进行交联，制备出一种具备优异机械性能、室温自修复能力、可闭环回收以及水下快速粘合功能的水下粘合剂PTAT。该工作以天然小分子硫辛酸作为单体，环状结构的2,4,6,8-四甲基-2,4,6,8-四乙烯基环四硅氧烷（TVTCSi）作为交联剂，通过无溶剂的热/光协同聚合工艺，制备了兼具强内聚力和界面粘附的可回收型水下粘合剂PTAT。其多级动态交联网络可在受外力作用时，通过分段协同运动诱导分子链取向的方式有效地耗散能量，从而增强粘合剂的内聚力。PTAT粘合剂中的羧基通过“多价作用”（如多重氢键或配位），可与不同基材表面形成多重结合，从而增强界面粘附力。
图1 PTAT粘合剂的多级动态交联网络及其多价相互作用机理
随着环状交联剂用量的增加，PTAT的拉伸强度从0.73 MPa大幅提高至6.72 MPa，其韧性和杨氏模量也得到显著改善，分别为PTA的9.21、4.24和5.02倍。PTAT出色的机械性能可归因于多级动态交联网络在外力作用下表现出的分段协同形变机制。这种拓扑优化的交联网络也能使得PTAT在维持结构稳定性的同时，提升其能量耗散与形变适应能力，从而避免局部应力集中现象的发生，增强材料的韧性。
为了进一步探究拓扑结构对力学性能提升的内在机制，该研究团队选择了与TVTCSi结构类似的线性交联剂1,3-二乙烯基四甲基二硅氧烷（DTDSi）作为对照组。实验结果表明，具备环状结构PTAT100的强度、韧性和杨氏模量分别为线型结构PTAD的1.15、1.36和3.43倍。通过分子动力学模拟计算得出PTAT100的内聚能密度和溶解度参数均比PTAD高。
图2 PTAT系列样品的机械性能
PTAT100在玻璃、塑料、尼龙、陶瓷、木材、金属和合金等12种基材上均表现出了优异的粘附性能，其搭接剪切强度最高可达5.66 Mpa，足以承受一名45公斤成人的负载。相比于PTAD，PTAT100也展示了更为优异的粘合强度，进一步证实环状交联结构的优势。
图3 PTAT100粘合剂在空气中的粘合性能
水下粘合性能是确保海洋工程、生物医疗和水下设备在湿润环境中实现牢固粘附与长期使用的关键基础。通过可视化粘附测试发现PTAT100在各种基底上依然表现出优异的水下粘附性能。并且PTAT100还能在水下环境表现出快速粘合的特性：在水下环境中按压5 s便能将PTAT100粘附到不同基材的表面。
图4 PTAT100粘合剂在水中的粘合性能
通过碱处理-酸化-重结晶过程成功地回收了硫辛酸单体。相关的表征测试证实了通过闭环回收得到的硫辛酸与原始材料相同。此外，回收后的PTAT100粘合剂显示出与原始PTAT100相似的机械性能和粘合性能。
图5 原料和回收的硫辛酸单体的表征性能、力学性能和粘合性能
综上所述，该研究团队通过将硫辛酸与环状硅氧烷进行交联，采用无溶剂热/光协同聚合工艺，合成了一种具备多级动态交联网络的仿生水下粘合剂。粘合剂具有多种优异的特性，如高强度和韧性、良好的自修复性能、水下快速粘合和化学闭环回收性。该工作提出基于交联网络拓扑结构提升粘合剂内聚力的策略，将为未来高粘合强度的先进水下粘合剂提供理论指导。
相关研究成果以“Human annular ligament-inspired recyclable underwater adhesive with strong cohesion and adhesion”为题发表于期刊《Chemical Engineering Journal》上。文章第一作者为桂林理工大学材料学院博士生石张延，通讯作者为张发爱教授和青年教师徐翔博士（后）。该项目得到了国家自然科学基金等项目的支持。
原文链接
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.169350
相关进展
桂林理工大学张发爱教授团队 Macromolecules：具有动态六重氢键的高韧性和本征型自愈合交联聚脲弹性体
吉林大学孙俊奇教授课题组《Adv. Mater.》：具有超高水下粘合强度的可按需擦除两栖粘合剂
西南交大汪建新教授团队 AHM：突破水合层屏障 - 一种新型超强水下水凝胶粘合剂助力全层软骨修复
高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn
诚邀投稿
欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至info@polymer.cn，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。
欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。
申请入群，请先加审核微信号PolymerChina（或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。
点
这里“阅读原文”，查看更多