新型儿茶酚功能化交替共聚物的合成及粘接性能研究

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海洋生物贻贝通过分泌含有大量儿茶酚基团的足丝蛋白,可以在潮湿动荡的海洋环境中实现对多种基材的高强度黏附。基于仿生的思想,人们将儿茶酚基团引入聚合物体系,合成了多种儿茶酚功能化聚合物,制备高性能胶黏剂材料。然而,在这个过程中仍然存在两方面的问题:其一,聚合物制备方法繁琐复杂。为了将儿茶酚基团引入聚合物体系中,在聚合前需要对单体进行功能化,引入双键等可聚合的官能团。其二,难以通过一种聚合物同时实现干湿态双高效粘接。绝大多数儿茶酚功能化聚合物只能实现在干态条件下对基材的有效粘接,仅有部分聚合物可以实现水下粘接,而利用一种聚合物同时实现干湿态双高效粘接的报道极少。为了解决上述问题,本论文合成了两种儿茶酚功能化交替共聚物,并分别对聚合物在干态及水下环境中的粘接性能进行研究。具体研究内容如下:(1)利用多巴胺和双酚A二缩水甘油醚两种单体,通过“氨基-环氧”点击化学反应合成了一种儿茶酚功能化交替共聚物P(DA-a-BGOP),将其用作胶黏剂材料。结果证明,在200℃、10 MPa条件下固化20 min,聚合物可以实现对多种基材的有效粘接,其中在不锈钢基材上的粘接强度最高,为16.39±2.13 MPa。通过对照实验证明,儿茶酚基团与双酚A结构可维持界面黏附力和胶体内聚力之间的平衡,实现高强度粘接。在水下环境中,研究了交联剂种类、交联剂用量、聚合物溶液浓度和基材种类对水下粘接强度的影响。结果证明,当聚合物溶液浓度为0.45 g/m L,以FeCl3作为交联剂,调节Fe3+与儿茶酚基团的摩尔比为1:3时,聚合物可以实现对多种基材的有效粘接,其中在玻璃上的粘接强度高达1.05±0.05 MPa,为文献报道最高值之一。通过与多种商用胶黏剂体系进行对比,证明P(DA-a-BGOP)是一种干湿态双高效胶黏剂材料。(2)利用多巴胺和双酚A型环氧树脂两种单体,通过“氨基-环氧”点击化学反应合成了一种结构单元中含有多个双酚A结构的儿茶酚功能化交替共聚物P(DA-a-BAER),以FeCl3为交联剂时,研究了交联剂用量对聚合物在干态及水下环境中粘接强度的影响。结果表明,聚合物可以在干态及水下环境中对多种基材进行粘接。其中,在不锈钢基材上的粘接性能最高:干态条件下,当Fe3+与儿茶酚基团的摩尔比为1:3时,粘接强度为3.03±0.68 MPa;在水下环境中,当Fe3+与儿茶酚基团的摩尔比为1:6时,粘接强度为0.65±0.10 MPa。通过拉曼光谱(Raman)和紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)证明,Fe3+通过配位交联与氧化交联的方式,增大胶体强度,提高粘接强度。
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