苏州大学严锋教授AM：高强度CO₂基离子型聚脲胶黏剂

聚脲（PUa）由于可快速固化、高化学/湿度稳定性以及多种基材适用性等特点，在胶黏剂领域具有广泛的应用。然而，聚脲中脲基单元的羰基和临近脲基的两个氢原子可形成双向缔合的氢键，这种分子间的强氢键作用导致其熔点和分解温度相近，可加工性差，且造成聚脲胶粘剂内聚能和界面粘附能的失衡。

近日，苏州大学严锋教授团队从分子结构设计入手，报道了一种具有强粘附性能的CO2基离子型聚脲（图1a）。基于侧链、阴离子的插层作用和阳离子基团间的静电排斥作用，大量的脲基被“活化”；这些被“活化”的脲基协同离子基团的静电作用，可以与基材界面形成强氢键，进而增强聚脲与基材的粘附能力。由于该离子型聚脲兼具离子基团和脲基，表现出良好的极端环境稳定性、自愈合性、阻燃性、抗菌性和荧光性等。其中，荧光性可用于胶黏剂的服役失效监测。

图1. a)非离子聚脲（PUa）和离子型聚脲（PUa-R-X）化学结构式。b) 非离子型和离子型聚脲胶黏剂内部及其与基材界面的氢键示意图。c) 离子型聚脲荧光标记、抗冻和裂纹检测应用展示。

图2. a) PUa和PUa-R-X对玻璃的粘附强度。b) PUa-C3-TFSI和文献报道的离子液体、聚离子液体以及聚脲基的胶黏剂对玻璃的粘附性能对比图。c, d) PUa和PUa-C3-TFSI脲基中羰基（C=O）的红外光谱。e) PUa, PUa-C3-X和PUa-OH-X中羰基二级结构含量比例。f) DFT模拟计算得到的PUa, PUa-C3-X和PUa-OH-X内脲基(NH···O=C)间距离。g) MD模拟计算得到PUa-C3-TFSI和玻璃表面的结合能。h) PUa、PUa-C3-TFSI和PUa-OH-TFSI分子间(空心标记)及其与玻璃界面间（实心标记）的平均分子间氢键长度。

研究者对离子型聚脲粘附性能进行了测试与表征，证明了离子基团的引入可以大幅提高聚脲粘附性能(图2)。利用密度泛函理论（DFT）和分子动力学模拟（MD）系统地证实了阳离子之间的静电斥力和阴离子的插层作用可破坏脲基之间的强氢键作用。其中，阴离子的尺寸越大，分子内脲基被“活化”得越充分，与基材的界面氢键作用越强，表现出优异的粘附性能。

图3. a) 室温下，PUa-C3-TFSI胶黏的玻璃（粘附面积为2.5 cm2）可以提起50 kg重物。b) 两对PUa-C3-TFSI胶黏的玻璃可以承受75 kg的成年人。c) PUa-C3-TFSI胶黏的玻璃（粘附面积为1 cm2）在-80 ℃放置后12 h后仍可以提起2.1 kg的重物。d) 用涂有PUa-C3-TFSI的铝箔纸可以快速修复漏水的水桶。e) 胶黏剂实时裂纹检测。在紫外光照下，红色箭头标记的亮点表示一定拉力下产生的裂纹。f) PUa-C3-TFSI可以作为荧光标记指示水深。g) PUa-C3-TFSI循环使用3次，仍然表现出良好的粘附性能。

图4. a) PUa和PUa-C3-PF6涂覆的滤纸UL-94测试。b) PUa-C3-PF6和燃烧产生的膨胀碳层中P2p和F1s的XPS光谱。c) PUa和PUa-C3-TFSI抗菌性能。

该CO2基离子型聚脲兼具聚脲和离子聚合物的特性，表现出优异的耐低温性、耐溶剂稳定性、自愈合性、循环稳定性、阻燃性和抗菌性。同时，其荧光特性可以用作荧光标记或胶黏剂的服役失效监测。

该研究展示了一种高强的CO2基离子型聚脲胶黏剂。通过对聚脲进行部分离子化以及阴离子交换实现调控离子型聚脲的粘附性能和多功能性。这项研究工作为设计高强、多功能的胶粘剂提供了一种新的思路。相关成果以“High-toughness CO2-sourced Ionic Polyurea Adhesives”为题发表于Advanced Materials上。文章的第一作者为东华大学博士后欧旭，共同通讯作者为东华大学周莹杰副教授和苏州大学严锋教授。

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