水（液体环境）和温度（热力学环境）是影响聚合物压敏胶（PSA）粘合性能的两个关键因素。润湿环境可能导致压敏粘合失效，因为聚合物的水化或粘合剂的溶胀会阻碍粘合剂与目标表面相互作用的形成。因此，PSA通常在干燥状态下实现强附着力。最近，越来越多的研究集中在工程水下粘合剂和不同的方法上，例如表面排水结构设计，儿茶酚化学，疏水调节，置换水被提出。然而，许多粘合剂仅在室温下使用，其在极端温度下的水下粘合性能未知或未探索。实际上，环境温度，尤其是极端温度在实际应用中也很重要。表现出热力学控制粘附的粘合剂已被设计为热熔胶和热响应粘合剂。然而，温度敏感性也限制了 PSA 的运行条件，大多数 PSA 设计为仅在室温或有限温度范围内运行。在水下甚至油下并在很宽的温度范围内工作的聚合物 PSA 的设计仍然是一个巨大的挑战。

实现强大的压敏粘合性有三个关键规则：(i) 聚合物链可以在合理的时间范围内扩散穿过目标基材的表面；(ii) 在聚合物链和目标表面之间形成足够的相互作用；(iii) 粘合剂内的有效能量耗散。因此，聚合物的粘弹性是非常关键的。一方面，聚合物的粘度应接近其弹性，以平衡链扩散和能量耗散的能力；而且粘度和弹性应具有相似的温度响应性，即损耗因子tanδ应该相对稳定并且在很宽的温度范围内接近1。粘度和弹性使 PSA 在表面上润湿并分别抵抗剪切力。另一方面，聚合物中的疏水性官能团是通过氢键和范德华力等与水下目标表面相互作用所必需的。

图1.聚合物PSA PMEA-PATU的合成。

基于此，天津大学和天津工业大学科研团队开发了一种疏水性超分子聚合物 PSA，它在很宽的温度范围内表现出优异的水下附着力。粘合剂的制备过程简单，PSA由丙烯酸2-甲氧基乙酯（MEA）和N-烯丙基硫脲（ATU）在没有任何溶剂的情况下一步本体共聚合成。硫脲和醚基团之间可以形成多种相互作用，例如范德华力和氢键。此外，这些物理相互作用可能导致与粘附表面的牢固粘附。疏水相互作用和在侧链中的弱氢键的协同效果使PMEA-PATU 粘合剂的tan δ接近 1，这有利于在很宽的温度范围内保持粘合强度。并且这种PSA即使在水下和复杂的热力学环境下也具有出色的压敏粘合操作和工作能力，即可在 1 到 100°C 的广泛温度范围内在水下运行。通过在PSA中混合聚四氟乙烯微米颗粒（PTFEMP）引入排油机制，粘合剂也可在油下和150°C高温操作，且PTFEMP的低表面能可以提高PSA的热力学稳定性。

图2. PMEA-PATU的水下黏附性能

相关论文以题为

Polymer Pressure-Sensitive Adhesive with A Temperature-Insensitive Loss Factor Operating Under Water and Oil

发表在《Advanced Functional Materials》上。通讯作者是津大学刘文广教授，天津工业大学赵义平教授和陈莉教授。

参考文献：

doi.org/10.1002/adfm.202104296