热熔胶（HMAs）因其环保、无溶剂和快速固化等特点，在粘接材料领域日益受到重视。然而，传统热熔胶如乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）存在剪切强度低（通常低于4 MPa）、难以回收利用等问题，限制了其在结构粘接领域的应用。目前常见的结构胶（如聚氨酯、环氧树脂）虽强度较高，但往往依赖化学交联，难以实现闭环回收，加剧了塑料污染。因此，开发兼具高强度与可循环性的热熔胶成为材料科学领域的重要挑战。
近日，科罗拉多州立大学Garret M. Miyake课题组研究提出了一种基于功能化结晶层的可持续结构热熔胶系统。该研究以可再生原料为基础，通过在结晶层中引入极性官能团，实现了高效应力传递与强粘接性能的结合。所开发的硫基聚合物在木材和不锈钢上分别表现出超过14.7 MPa和15.1 MPa的剪切强度，同时具备优异的氧气与水蒸气阻隔性。此外，该材料可在温和氢化条件下完全解聚，实现单体的闭环回收，为高性能与可持续并重的热熔胶设计提供了新思路。相关论文以“Sustainable Structural Hot-Melt Adhesives Enabled by Functionalized Crystalline Lamellae”为题，发表在
Advanced Materials上。
研究首先通过对比商用EVA与主链含酯基的聚合物PE-12，揭示了极性基团在结晶层中的位置对粘接性能的关键影响。尽管两者酯基密度相近，但PE-12在木材和不锈钢上的剪切强度显著高于EVA，分别达到11.5 MPa和7.3 MPa。接触角测试表明，PE-12表面疏水性更强，说明其酯基被包裹在结晶区内，而非像EVA那样分布于无定形区。动态力学分析进一步证实，PE-12具有更高的储能模量与内聚力，能够将外力转化为弹性势能储存于结晶层中，而非通过无定形区耗散，从而提升了整体粘接强度。
图1： A) 商业热固性结构粘合剂的结构示意图。 B) EVA粘合剂的结构，以及C) PE-12结构及本研究设计的用作结构热熔胶的硫基聚合物结构。
图2： A) EVA和PE-12在木材和不锈钢（SS）基材上的搭接剪切测试结果。 B) EVA和PE-12的水接触角。 C) PE-12的Tan Delta随温度变化曲线。 D) PE-12的广角X射线衍射（WAXD）和小角X射线散射（SAXS）图谱。 E) EVA和PE-12与基材相互作用的机制示意图：在EVA粘接机制中，外力主要通过能量耗散转化为热；而在PE-12中，外力主要通过弹性变形转化为弹性势能。
为进一步增强界面相互作用，研究团队在聚合物主链中引入硫基官能团，设计了一系列硫基聚合物（如PC₂₂S、PC₂₂SO₂及其共聚物）。X射线衍射分析表明，硫原子成功嵌入结晶层，形成功能化结晶片层。力学性能测试显示，这些材料具有高拉伸强度（24.4–36.2 MPa）、高韧性及适中的损耗模量，说明其兼具刚性与能量耗散能力。粘接实验结果表明，所有硫基聚合物在木材上的剪切强度均超过12.0 MPa，其中PC₂₂SO₂最高达14.7 MPa，约为EVA的四倍；在不锈钢上，CP-3的强度达15.1 MPa，且在木材-钢材混合接头上仍保持18.7 MPa的高强度。
图3： A) 根据SAXS和WAXD计算得到的硫基聚合物的长周期（实柱+阴影柱）和片层厚度（实柱）。 B) 硫基聚合物的典型应力-应变曲线。 C) 硫基聚合物的韧性和杨氏模量。 D) 硫基聚合物的储能模量和损耗模量随温度变化曲线。 E) 硫基聚合物及对照样品在木材基材上的粘接结果。 F) 硫基聚合物及对照样品在不锈钢（SS）基材上的粘接结果，以及CP-3在不锈钢-木材混合基材上的结果（阴影区域）。
除了卓越的力学性能，硫基聚合物还表现出良好的阻隔性能。PC₂₂S的水蒸气透过率和氧气渗透率均低于高密度聚乙烯，适合用于微电子封装。实验中将PC₂₂S用于印刷电路板封装，即使在水下环境仍能保持功能稳定，展现了其在恶劣条件下的应用潜力。在循环利用方面，PC₂₂S可在氢气催化下高效解聚为原始单体，回收率高达87%，再聚合后的材料性能与原始样品相当。即便在封装有电子元件的复杂体系中，仍可实现单体的高效分离与回收，凸显了其在实际电子废弃物处理中的可行性。
图4： A) CP-3的承载测试。 B) 硫基聚合物的水蒸气透过率（WVTR）和氧气渗透率（PO₂）测试，以HDPE为对照。 C) 用PC₂₂S封装印刷电路板（PCB）用于恶劣环境应用。
图5： A) 再聚合RP-PC₂₂S和RP-CP-3的典型应力-应变曲线。 B) RP-CP-3在不锈钢表面的典型搭接剪切曲线。 C) PC₂₂S封装的PCB解聚过程照片。
该研究通过将极性官能团引入结晶片层，成功设计出一类兼具高强度、优异阻隔性与闭环循环能力的结构热熔胶。这一策略不仅突破了传统热熔胶在性能与可持续性之间的权衡，也为未来粘接材料的设计提供了新方向——通过调控结晶片层的组成与极性功能，可进一步拓展热熔胶在高端制造、电子封装等领域的应用前景，推动材料向高性能与绿色循环双目标迈进。
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