受软骨启发的硼酸酯动态交联网络:用于制备高强度且可逆的粘合剂

时间:2026年1月2日
来源:Polycyclic Aromatic Compounds

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软骨启发动态共价键网络材料BEAD通过环氧开环与硼酸酯交联形成三维结构,兼具高强度(46.42 MPa)和优异循环性(80.7%粘附保留率),解决传统胶粘剂强度与可回收性矛盾,提供可持续粘合剂新范式。

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Xuebin Lian|Yuanjian Li|Minghui Li|Yongxin Bai|Xinyu Zhao|Jiangwen Li|Shujun Zhao
浙江科技学院材料科学与工程学院,中国杭州310018

摘要

由于粘合剂系统中固有的强度-韧性权衡以及稳定性与可逆性之间的矛盾,同时实现优异的粘附性和可回收性仍然是一个巨大的挑战。受到软骨分层结构的启发,我们报道了一种基于生物仿生的交联网络,该网络结合了B-N配位键和动态硼酸酯键,用于制备高性能的可回收粘合剂。这种仿生设计复制了软骨中胶原蛋白-蛋白多糖基质的结构组织,其中网络节点之间的动态B-N配位键通过键解离引起的网络伸长来促进能量耗散。该网络通过3-氨基-1,2-丙二醇介导的环氧开环反应以及随后与1,4-苯二硼酸的交联反应构建而成,形成了一种高交联密度的动态共价聚合物网络,称为BEAD(硼酸酯粘合剂)。BEAD表现出优异的机械性能(拉伸强度为46.42±5.32 MPa,韧性为2.60±0.31 MJ/m³)和强大的粘附性(对钢的搭接剪切强度为26.69±0.74 MPa)。B-N配位的协同作用(增强内聚力)和硼酸酯交换(实现可再加工性)实现了强度与可回收性的最佳平衡,在经过五次再加工循环后仍能保持80.7%的粘附性能。本研究提出了一种仿生动态键合策略,以克服粘合剂中的强度-可回收性权衡问题,为结构材料的研究开辟了可持续的新途径。

引言

粘合剂在日常生活、工业领域和现代科技中都起着不可或缺的作用,过去几十年里粘合剂的生产量持续增长[[1], [2], [3], [4], [5]]。在各种粘合剂材料中,传统的热固性粘合剂由于其优异的粘附性能以及所需的化学耐受性和环境耐久性而占据主导地位[[6], [7], [8], [9]]。然而,不可逆的共价交联网络限制了非破坏性分离,从而失去了可加工性,并使拆卸或回收过程变得复杂[[10], [11], [12], [13]]。在全球环境危机日益严重的背景下,对可持续材料的需求显著增加,因此开发强韧且可回收的粘合剂已成为关键研究方向之一。为了实现这一目标,构建可逆的共价交联结构已成为一种常见的方法,以赋予传统热固性粘合剂可逆的键合能力[[14], [15], [16], [17]],例如二硫键、[[18], [19], [20], [21]]亚胺键以及硼酸酯动态共价交联网络[[24], [25], [26], [27]]。然而,在开发可逆粘合剂方面仍存在一个根本的科学挑战:交联系统中的结构稳定性和动态可逆性之间的固有权衡导致粘合剂的粘附强度有限。
提高可逆共价交联网络结构的机械性能有助于增强内聚力,这可以被视为解决上述粘附强度限制问题的一个有前景的策略[14,28]。最近,研究人员开发了一系列基于动态共价交联网络的高性能可逆热固性聚合物的研究,主要包含以下策略:(i) 动态共价键的设计;(ii) 调节聚合物结构以改善交联网络。从动态共价键的角度来看,已经证明合成具有自增强结构效应的动态共价键或整合多个动态共价键是提高聚合物结构机械性能的有效方法,从而增强粘附强度[[29], [30], [31], [32], [33]]。例如,Bao等人使用六元环状硼氧杂环丁烷和亚胺键制备了可重复使用的粘合剂,其剪切强度达到了18.6 MPa,并且在10次粘合和剥离循环后仍能保持13.3 MPa的强度[34]。然而,大多数研究需要多步骤合成、昂贵的前体以及巧妙的设计才能获得所需的性能,这严重阻碍了其在工业中的应用。相比之下,调节聚合物系统的交联网络比优化动态共价键结构更为方便。基于这一效果,已经开发了一系列方法来改善聚合物的交联网络,以最大化粘附性能,包括纳米杂化、超支化以及软硬结构设计[7,35,36]。尽管如此,通过简单策略构建具有超强粘附强度的高性能可逆共价聚合物网络仍面临巨大挑战,以满足实际的工业标准。
在自然界中,许多天然生物系统和材料都具备显著的机械强度和优异的能量耗散性能,这为可逆共价聚合物网络的研究提供了启示[[37], [38], [39], [40]]。关节软骨就是这样一个典型的例子。其内部的纤维状胶原蛋白相互结合形成三维网络结构来承受负载,同时吸收的小分子(如蛋白多糖、透明质酸和水)通过弱相互作用(电荷相互作用和氢键)提供韧性和弹性[41,42]。受到软骨结构的启发,我们开发了一种制备具有优异粘附强度和重新粘合性能的新粘合剂的方法。为此,使用了刚性的双酚A二缩水甘油醚(BADGE)和柔性的聚(乙二醇)二缩水甘油醚(PEGDE)作为复杂的环氧单体,然后与3-氨基-1,2-丙二醇(AP)反应,制备出羟基修饰的线性聚合物BEA。随后,使用1,4-苯二硼酸(DPBA)作为交联剂,通过B-N键合使线性聚合物BEA形成三维网络聚合物BEAD。得益于软骨启发的三维环状硼酸酯交联网络,BEAD聚合物表现出优异的机械性能,用作粘合剂时能够保证内聚力,同时B-N键合可以实现双环五元环和八元环结构之间的转换,从而增强网络的弹性和韧性。正如预期的那样,BEAD粘合剂的粘附强度和韧性(剥离功)分别达到了26.69±0.74 MPa和33338.1 N·m⁻¹,在经过5次粘合/重新粘合循环后仍能保持80.7%的粘附性能。本研究介绍了一种新型且简便的策略,用于制备超强且可重复使用的粘合剂,推动了下一代多功能粘合剂材料的研究和应用。

材料

1,6-己二胺(AR,99%)和3-氨基-1,2-丙二醇(AP,97%)购自Aladdin Reagent Co., Ltd.(中国上海)。聚(乙二醇)二缩水甘油醚(PEGDE,环氧值为0.35-0.40)、双酚A二缩水甘油醚(BADGE,AR,85%)和1,4-苯二硼酸(DPBA,AR,97%)购自Macklin Reagent Co., Ltd.(中国上海)。N,N-二甲基甲酰胺(DMF)购自Hangzhou High Fine Chemical Co., Ltd.(中国杭州)。所有化学品均按原样使用。

基于软骨结构的3D网络聚合物BEAD的设计与合成

基于软骨组织中3D网络的优异机械性能,我们制备了基于软骨启发的动态共价交联网络,旨在赋予可逆粘合剂高性能的粘附强度。这种基于软骨启发的3D动态共价交联聚合物网络的合成路线如图1b所示。首先,通过AP和环氧的环开环聚合反应合成了含有羟基的线性BEA

结论

总之,受到软骨网络结构的启发,我们提出了一种新的方法,通过使用含有羟基的线性聚合物和硼酸衍生物进行简单的交联反应,制备出高性能的可回收粘合剂,形成B-N键合功能的3D硼酸酯动态交联网络。稳定的3D交联结构确保了粘合剂的内聚力,而含有硼酸单元的B-N键合则增强了韧性

CRediT作者贡献声明

Xuebin Lian:撰写 – 原始草案,研究,数据管理。Yuanjian Li:研究,正式分析,数据管理。Minghui Li:验证,研究,正式分析。Yongxin Bai:验证,研究,正式分析。Xinyu Zhao:验证,研究,正式分析。Jiangwen Li:验证,正式分析,数据管理。Shujun Zhao:撰写 – 审稿与编辑,项目管理,资金获取,概念构思。

利益冲突声明

作者声明与本工作无利益冲突。我们声明与所提交的工作没有任何商业或关联利益冲突。

致谢

本工作得到了浙江省自然科学基金(LQN25E030004)和浙江科技大学基础研究基金(编号22212129-Y)的财政支持。

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