《AM》湖南大学张世国：聚（离子液体）高校胶粘剂材料|张世国|离子|粘合剂|聚合物|胶粘剂|阳离子

摘要

胶粘剂材料在各个领域都有广泛的应用，但开发一种新型的多功能胶粘剂是一个巨大的挑战。最近，湖南大学张世国教授团队通过简单地将烷氧基部分引入含有双（三氟甲磺酰亚胺）（ TFSI-）阴离子的 PIL 的阳离子主链中，可以将传统的聚（离子液体）（PIL）设计为高效粘合剂。引入的柔性烷氧基链不仅降低了 PILs 的玻璃化转变温度，而且赋予这些材料强大的氢键相互作用，与 PILs 独特的静电相互作用一起，同时有助于高内聚能和界面粘附能。因此，与传统 PIL 的非粘性行为相比，这些烷氧基 PIL 在各种基材上具有高度粘性，例如玻璃、陶瓷、不锈钢、铝和聚合物。利用离子液体与碳纳米管或银纳米纤维之间的相容性制备光敏或导电复合粘合剂。有趣的是， PIL-2-TFSI 粘合剂对电场具有独特且可逆的响应，可将粘合强度提高 35% 。相关论文以题为 Poly(ionic liquid)s Containing Alkoxy Chains and Bis(trifluoromethanesulfonyl)imide Anions as Highly Adhesive Materials 发表在《 A dvanced Materials 》上。

主图

示意图1 烷氧基 PILs（PIL-m-TFSI）的结构和其他供参考的样品：a）具有不同烷氧基链长度的PIL-m-TFSI（m代表烷氧基链中的氧原子数）；b)具有不同抗衡阴离子的PIL-2-X（X代表抗衡阴离子的类型）；c) 不同季铵化程度的PIL-2-TFSI-R；d) 具有（PS-Im-der）或不具有（PS-der）离子单元的聚合物；e) 不含烷氧基的常规 PIL。

图1 a) PIL-2-TFSI 的结构图。b,c) 烷氧基 PIL 的温度相关流变测试（角频率 = 10 rad s − 1 ，应变 = 1%）。(c) 中的插图说明了 PIL-2-TFSI 在 80 °C 下的拉丝过程，其中 PIL 用少量甲基红染色以获得清晰的视野。d) 使用烷氧基 PIL 的粘附程序示意图和 PIL-2-TFSI 粘附玻璃切片的高透射率。e)PIL-2-TFSI 在各种基材上的宏观附着力测试（在玻璃、SS、Al、PMMA 和 PTFE 上的附着面积分别为 12、12、13、15 和 15 cm 2 ）。

图2 a) 粘合示意图。 b) PIL-2-TFSI 在不同基材上的粘附强度。插图说明了对玻璃的连续循环测试。c) PIL-2-TFSI 在不同温度下对玻璃的粘附强度。d) PIL-m-TFSI（红色）、PIL-2-X（蓝色）和其他参考样品（灰色）在玻璃上的粘附强度。e) 不同季铵化度的 PIL-2-TFSI-R 的粘合强度。f) 在 25 °C 下测试的所有样品的粘合强度作为 T g 的函数。

图3 a) 计算出的 PIL-m-TFSI 在玻璃基板上的 CED 和 IAE 值。b,c) 玻璃基板上 PIL-2-TFSI 能量最低的最稳定构象。d) PIL-2-TFSI 能量最低的最稳定构象。e-g) 烷氧基和咪唑鎓阳离子之间的内部氢键相互作用。h) PIL-2-TFSI 和 PIL-玻璃界面上的内部和外部氢键相互作用的表示。原子间距离的单位是 Å 。

图4 烷氧基 PILs及其复合粘合剂的多功能应用。 a) PIL-2-TFSI 修复损坏的杵。b) 用 PIL-2-TFSI 修复在水中装满水溶液后的破瓶子。c) 在水中浸泡两周或一个月后，PIL-2-TFSI 在各种基材上的附着强度。d) 由于多壁碳纳米管的光热效应，PIL-2-TFSI 的粘附强度光控降低。e) PIL-2-TFSI/MWCNT复合材料的粘附强度随 MWCNTs 含量和辐照时间的变化而变化。f) 插图和 g) 在氧化铟锡 (ITO) 涂层玻璃或柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 薄膜上含有 50 wt% AgNF 的电子导电复合粘合剂的粘合强度。(I) 或大角度弯曲的 PET 薄膜 (II-IV)。

图5 电场诱导的 ITO 涂层玻璃粘附强度的提高。a) 通过在 25 °C 下施加 60 分钟的可变电压，PIL-2-TFSI 的粘附强度。b) 通过在不同时间施加 4 V 电压，PIL-2-TFSI 在 25 °C 下的粘附强度。c) 通过在不同温度下施加 2.5 V 60 分钟，PIL-2-TFSI 的粘合强度。d) PS-der（蓝色）和市售粘合剂在施加 4 V 电压 60 分钟之前和之后的粘合强度。e,f) 分别在没有和有外加电场的情况下在烷氧基 PIL 中提出的阴离子分布。g-i) PIL-1-TFSI (g)、PIL-2-TFSI (h) 和 PIL-3-TFSI (i) 在（蓝色）和之后（红色）施加 4 V 60 分钟的粘附强度 25℃。

总结

通过简单地将悬垂的烷氧基链引入 PIL 的阳离子主链并选择合适的阴离子，团队可以将非粘性和常规 PIL 转化为高效的粘合剂。这些非儿茶酚、热稳定且不可燃的粘合剂对各种基材（包括玻璃、陶瓷、不锈钢、铝和聚合物）具有强大、持久和可回收的粘合效果。这些烷氧基PILs在空气中对玻璃的最大粘合强度高达5.96 MPa，明显高于大多数邻苯二酚粘合剂和市售粘合剂。粘附强度强烈依赖于 PIL 结构，烷氧基和离子部分都是实现强粘附的先决条件。结合实验和理论分析表明，烷氧基部分引起的玻璃化转变温度的降低和氢键相互作用的改善，以及静电相互作用，共同解释了高 CED 和 IAE 以及由此产生的强附着力。由于独特的 IL 结构以及 ILs 与 CNTs 或 AgNFs 之间良好的兼容性，这些 PIL 粘合剂可以进一步设计为多功能材料，用于光控或柔性导电粘合。与非离子粘合材料不同，通过施加外部电场，PIL-2-TFSI 对 ITO 涂层玻璃的粘合强度可以出人意料地从 5.2 MPa 提高到 7.0 MPa（增强 35%）。团队相信这些新型 PIL 粘合剂以及获得的复合材料将具有潜在的多用途应用，例如真空粘合、电极粘合剂和生物粘合。目前的策略还为设计新的粘合剂和基于 IL 的功能材料提供了一个新平台。

参考文献：

doi.org/10.1002/adma.202100962