浙大团队研发新型生物基胶粘剂：全程无化学反应，性能超传统粘合剂两倍
浙大团队研发新型生物基胶粘剂：全程无化学反应，性能超传统粘合剂两倍
传统粘合剂在生产、使用和处理等环节存在一定的环境污染等问题。为了解决这些挑战，浙江大学、良渚实验室洪逸研究员和欧阳宏伟教授团队受蜗牛启发，开发出一种新型生物基胶粘剂（SFA）。这种胶粘剂不仅粘性强，而且从原料来源到使用再到去除都无需化学反应处理，对环境友好。
SFA的创新突破
研究团队在前期工作中，通过聚谷氨酸和聚赖氨酸制备了一种能够进行组织粘附和修复的光控自粘附水凝胶。在一次实验中，当他们将研究中的聚谷氨酸替换为聚谷氨酸钠盐时，发现聚谷氨酸钠(γ-PGA)与聚赖氨酸盐酸盐(ɛ-PLL)发生了相分离，相分离后的凝聚物在干燥后具有极强的粘附性。研究者们认为这种类似蜗牛黏液的凝聚物有望作为无有机溶剂的天然粘合剂。
图1.SFA作用机理及粘附机理示意图
性能卓越的生物基粘合剂
SFA的粘合性能由其内聚力和粘附力决定。研究发现，低浓度的投料浓度能够增加SFA的粘合性能，因为高浓度会增加空间位阻，抑制γ-PGA和ɛ-PLL之间的分子相互作用。SFA在自然干燥或65℃烘箱中干燥后，其剪切模量从1700 Pa升至约55 MPa，类似于蜗牛粘液的性能。
图4. SFA在不同场景中的应用
应用前景广阔
SFA在陶瓷上的平均剪切粘附强度为27.8 MPa，是迄今为止报道的生物基粘合剂中最高的，甚至高于已报道的氰基丙烯酸基粘合剂的两倍（13 MPa）。除了陶瓷外，SFA在玻璃和钢铁上的粘附强度为4 MPa，与之前报道过的基于生物材料的粘合剂粘合强度相当。
研究者进一步在真实应用场景中验证了SFA的超强粘附性能。SFA成功地将三片陶瓷板粘合在一起，每两片之间重叠面积为3 cm²，在拉伸剪切测试中支撑了一个重75公斤的成年人做引体向上。即使在拉伸测试中重叠面积减半，SFA仍然显示出优异的承载能力。SFA的粘附能力不仅限于日常应用，在特殊的文物修复（陶瓷、骨头等文物）等领域其也能适配。例如，在一个粘附测试中，用SFA粘合的断裂牛股骨在提起一个重20 kg的水桶时依然能保持完整。
极端环境下的表现
除了能在正常温度下使用，SFA还能在极端温度下保持其性能，并且具有可重复使用性。在100°C和200°C下，SFA没有表现出任何外观变化，剪切强度也没有降低。而在300°C时，SFA经历了碳化，尽管剪切强度降至原值的22%，但仍超过6 MPa。在−150°C的低温下，SFA粘合的陶瓷在结构上保持完整，显示出优异的低温耐受性。
这项研究提出了一种创新方法，能够生产出高性能、可重复使用的粘合剂，这些粘合剂来源于可再生材料，建立了一个无污染的粘合剂循环，包括生产、应用和移除。这种粘合剂的开发为可持续材料科学领域带来了新的视角。
浙江大学2020级博士生朱秋文为本文的第一作者，博士生李瑞为共同一作，通讯作者为浙江大学/良渚实验室洪逸研究员和欧阳宏伟教授。本研究得到国家重点研发计划(2023YFE0206700)和国家自然科学基金创新群体等项目（T2121004，92268203）资助。