低表面能材料（如聚四氟乙烯PTFE）因其卓越的疏水性和化學惰性，廣泛應用於建築、電子、醫療等領域。然而，這些特性也使其難以與其他材料牢固粘接。傳統解決方案依賴離子處理、化學蝕刻等表面改性技術，但這些方法成本高昂且可能損傷材料。因此，開發無需預處理即可直接粘接低表面能材料的高性能粘合劑，成為行業亟待突破的難題。

香港中文大學（深圳）朱世平院士、張祺助理教授團隊開發出一種新型含氟共聚物粘合劑，首次在PTFE上實現了創紀錄的3.22 MPa粘接強度。該粘合劑通過六氟丁基甲基丙烯酸酯（HFBMA）與聚丙二醇甲基丙烯酸酯（PPGMA）的光聚合反應一步合成，兼具93.7%透光率和優異環境穩定性。其核心突破在於利用HFBMA的C-F鍵與基材的偶極-偶極相互作用增強介面粘附，同時通過PPGMA側鏈的摩擦耗能提升內聚強度。該技術無需表面處理即可粘接PTFE、聚丙烯（PP）、玻璃等多樣基材，為工業應用提供低成本解決方案。

粘接機理與性能優化

圖1揭示了粘合劑的分子設計：HFBMA提供氟基團與PTFE基材形成偶極相互作用，PPGMA側鏈則通過鏈段爬行摩擦耗散能量。實驗表明（圖2a），當PPGMA占比15%（F₈₅-P₁₅）時，粘接強度達峰值3.22 MPa，遠超純HFBMA（完全無粘性）。對比測試中（圖2b），該粘合劑性能顯著優於商用產品和文獻報導的離子凝膠體系（如PDMAA-CAC凝膠）。其環境適應性突出（圖2c）：在-20℃、90%濕度或紫外老化15天后，強度仍保持2.43-2.62 MPa；經萬次剪切迴圈和7天3 kg負重測試，未出現介面剝離。此外（圖2d-e），它在PP、PE、陶瓷、鋼鐵等基材上均展現穩定粘接。

圖1 粘接機制與應用示意圖 氟化共聚物粘合劑的介面粘附與內聚機理及潛在應用圖示 (圖示說明：聚合物鏈上的氟化基團與PTFE基材形成偶極作用，PPGMA側鏈通過摩擦耗散能量) 

圖2 a) PPGMA含量對F_x-P_y粘合劑搭接剪切強度的影響 b) F₈₅-P₁₅粘合劑與相關研究及商業產品在PTFE基材上的剪切強度對比 c) F₈₅-P₁₅/PTFE接頭在90%濕度、-20℃及UV老化環境下的強度變化 d) F₈₅-P₁₅粘接不同基材的強度（玻璃分別與PTFE/PP/PE/PET/陶瓷/鋼對接） e) F₈₅-P₁₅在4.0 cm²粘接面積下的宏觀粘接測試（基材：PTFE/PET/鋼/玻璃）

力學性能與耗能機制

PPGMA含量直接調控材料力學行為（圖3a-b）：當添加量從0%增至20%，模量從25.8 MPa降至2.14 MPa，斷裂伸長率從7%升至286%。F₈₅-P₁₅的韌性達14.11 MJ/m³，歸因於PPGMA側鏈的增塑作用。應變速率實驗（圖3c）顯示，材料在低速率下伸長率可達377%，符合艾林模型計算的14.0 nm³活化體積。關鍵發現是：用丙烯酸丁酯（BA）替代PPGMA後，粘接強度降至1.56 MPa，且耗能比從96.5%（PPGMA體系）降至83.8%（圖3d）。流變學分析（圖3e-f）進一步證實，PPGMA側鏈形成的非共價網路延長了分子鏈弛豫時間，提升了能量耗散效率。

圖3 a) 不同PPGMA含量共聚物的應力-應變曲線（拉伸速率：2 mm/min） b) 韌性與模量隨PPGMA含量的變化關係 c) 不同應變速率下的拉伸曲線 d) 屈服應力與應變速率對數（ln ?˙）的線性擬合 e) G'和G"主曲線（參考溫度30℃）：P(HFBMA₈₅-co-PPGMA₁₅) vs P(HFBMA₈₅-co-BA₁₅) f) 溫變位移因數（a_T）的Arrhenius圖 

介面作用與普適性驗證

XPS分析（圖4a-b）發現，粘接後PTFE表面的F 1s峰從689.14 eV移至689.30 eV，O 1s峰中C-O比例增加，證實C-F偶極相互作用和C-O基團參與介面鍵合。原子力顯微紅外成像（圖4d-e）顯示，粘接介面處C-F鍵（1293 cm⁻¹）信號增強，表明氟基團向PTFE表面定向排列。分子動力學模擬揭示，HFBMA與PTFE的范德華力（98.26 kcal/mol）比BMA體系高32%。團隊還驗證了設計普適性（圖5）：用不同氟單體（如三氟乙基丙烯酸酯）或長鏈聚乙二醇甲基丙烯酸酯（PEGMA）替代時，粘接強度仍超2 MPa，且側鏈越長耗能越強。

圖4 a) F₈₅-P₁₅共聚物及其PTFE共混物的高分辨O 1s XPS譜 b) F₈₅-P₁₅共聚物及其PTFE共混物的高分辨F 1s XPS譜 c) 粘合劑與PTFE基材的相互作用機制示意圖 d) 非粘接介面的AFM-IR分析：(i) 形貌 (ii) 化學映射 (iii) 3D圖譜（波數1293 cm⁻¹對應C-F鍵） e) PTFE粘接介面的AFM-IR分析：(i) 形貌 (ii) 化學映射 (iii) 3D圖譜 圖5 a) 候選氟單體（X）的化學結構 b) P(X-co-PPGMA)粘合劑在PTFE上的粘接強度 c) 含側鏈候選單體（Y）的化學結構 d) P(HFBMA-co-Y)粘合劑在PTFE上的粘接強度（PEGMA分子量：300/475/550 g/mol）

總結與前景

該研究通過“偶極作用+側鏈摩擦耗能”的協同機制，成功開發出首個無需預處理即可粘接低表面能材料的透明聚合物粘合劑。其單組分光固化的簡易工藝、93.7%透光率及3.22 MPa創紀錄強度，為電子封裝、醫療設備等領域提供革新性解決方案。未來可進一步拓展含氟單體與柔性側鏈的組合庫，推動高性能粘合劑在極端環境中的應用。

來源：高分子科學前沿
聲明：僅代表作者個人觀點，作者水準有限，如有不科學之處，請在下方留言指正！

免責聲明：本內容來自騰訊平臺創作者，不代表騰訊新聞或騰訊網的觀點和立場。