胶粘剂的耐有机溶剂性能在一些关键行业中至关重要，如化学运输、航空航天、工业制造和建筑设计。尽管大多数商业化胶粘剂在非溶剂环境下表现出色，但当接触有机溶剂、油和碱液时，它们的粘附强度会显著降低甚至出现粘附失效。开发具有强有机溶剂耐受性的新型胶粘剂是十分必要的。
传统胶粘剂通常使用聚合物作为主要成分。当长时间接触有机溶剂时，由于相似相溶原理，溶剂分子会自发扩散进入聚合物网络，增大高分子链间距，减弱链缠结作用，增强链段运动能力，破坏高分子材料原有的结构形态，导致胶粘剂的内部作用力和界面作用力都大幅度减弱，从而导致粘附失效。
近期，湖南大学材料科学与工程学院张世国教授团队制备了一种 ZPIL 胶粘剂，得益于其独特的动态静电络合交联结构，所得 ZPIL 胶粘剂在室温下具有超强粘附性和有机溶剂耐受性。通过对其在不同溶剂环境（强、弱极性有机溶剂）中长时间浸泡后的粘附性能进行定量测试，并结合非离子型聚合物对比样的性能差异，研究了ZPIL作为粘附材料使用时对整体性能（耐溶剂性与粘附性）的影响规律。此外，还利用变温FT-IR光谱、ATR-IR光谱、分子动力学模拟等研究手段对ZPIL内部偶极-偶极相互作用力形成的动态静电络合交联结构和有机溶剂对ZPIL长时间尺度下的扩散过程进行了深入分析。
图1 强有机溶剂耐受性的两性聚离子液体结构设计和操作流程
ZPIL 材料几乎不溶于常见的溶剂，表现出了独特的耐溶剂性。ZPIL在二甲基亚砜（DMSO）、甲醇（MeOH）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、乙腈（ACN）、乙醇（EtOH）、丙酮、二氧六环、异丙醇（IPA）、乙酸乙酯（EAc）、四氢呋喃（THF）、二氯甲烷（DCM）、乙醚（DEE）、甲苯、正己烷和石油醚（PE）等15种有机溶剂中即使浸泡2个月也未见其溶解或发生明显溶胀（图2i）。
在外加少量溶剂H2O的情况下，H2O与ZPIL之间的相互作用极强，甚至足以部分破坏ZPIL材料内部的静电交联结构，增大主链间距，从而提升聚合物链段的运动能力（图3a）。只有在大量外加H2O溶剂情况下，ZPIL体系中能够以缔合形式存在的 H2O达到饱和时才会有游离状态的自由水出现（图3c）。H2O能够显著调节 ZPIL内部的阴阳离子间作用力，部分破坏材料因静电偶极-偶极相互作用形成的动态交联结构，使得ZPIL材料的宏观状态表现为可加工的流动状态。
在宏观测试过程中可以发现，在IPA中浸泡时间长达4个月、粘附面积为 0.5 cm2 的陶瓷基底仍然能够轻易悬挂起20 kg的重物而不会出现脱落（图4b）。在0~120 min范围内随着热处理时间的延长，ZPIL粘附强度一直在逐渐增强，在约120 min热处理时间附近出现最大粘附强度7.2 MPa（图4c）。在陶瓷、环氧树脂（EP）、玻璃、铝合金（Al），聚甲醛（POM），尼龙（PA），聚氨酯（PU）和聚四氟乙烯（PTFE）等材料表面 粘附强度也分别达到7.2、6.7、5.5、3.7、2.5、2.4、0.8 和 0.3 MPa，高于许多商业化胶粘剂（图4e）。在IPA、PE、甲苯和 DCM 这些有机溶剂中浸泡4个月后，ZPIL的粘附强度依然变化不大，分别表现出了6.2、6.8、7.0和7.0 MPa的高粘附强度（图4g）。
图5 ZPIL对有机溶剂的超强耐受性及其宏观粘附机制
后续使用了原位ATR-IR装置对溶剂向ZPIL材料的扩散进行了实验表征分析。对于ZPIL，即使在DCM、IPA、DMSO等多种有机溶剂中浸泡长达12 h，也未能在单晶硅表面检测到相应溶剂的存在（图5b）。对于能够溶解PVIm的IPA和 DMSO这两种有机溶剂，在分别浸泡9 h和5 h时也在ATR-IR光谱中发现了相应的溶剂出峰（图4c）。
该工作以“Adhesive zwitterionic poly(ionic liquid) with unprecedented organic solvent resistance”为题发表在《Advanced Materials》上。湖南大学材料科学与工程学院助理教授张俊为论文第一作者。张世国教授为论文的通讯作者，湖南大学为第一通讯单位。该项研究得到了国家自然科学基金、湖南省“揭榜挂帅”项目等基金项目的支持。这一研究是该团队在近年来高粘附性离子液体材料制备与应用的基础上（Nat. Commun. 2024,15, 4265; Macromol. Rapid Commun. 2024, 2300736; Nat. Commun. 2022, 13, 5214; Adv. Mater. 2021, 33, 2100962; J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 2375）取得的最新进展之一。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202403039
相关进展
湖南大学张世国教授《Nat. Commun.》：高性能小分子离子液体粘附材料
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