日本产综研开发出用光照就能可逆控制粘性的聚合物

新技术 2018年12月06日
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日本产业技术综合研究所(简称“产综研”)开发出了一种非常容易加工的聚合物材料,只需在室温下照射紫外光,就能可逆地控制粘弹性。这是一种具备光响应的聚合物,可以像普通塑料一样,通过加热形成薄膜状等任意形态,此外还具备持续照射几分钟紫外光后会变软、持续照射几分钟绿色可见光就会变硬的性质,而且这种软化与硬化的转变可以循环反复。在材料整体或者表面处于柔软状态时,材料的粘接性、摩擦力和材料的冲击吸收性更高,通过照射光就能可逆地改变这些特性,可作为光功能材料使用。

如果着眼于粘接性的变化,将该材料加工成带状,便可以用作能在非加热状态下进行可逆性粘接和分离的智能粘合剂,便于实现重新粘接、废旧粘接材料的再利用,有助于提高粘接流程的成品率和节省资源。该材料可用于精密光学材料的临时固定和重新安装、医用药剂的低刺激黏贴与拆卸等,也可实现再加工性优异的部件。

该材料的详细内容已于2018年9月发表在美国化学学会的学术杂志《ACS Applied Materials & Interfaces》上(S. Ito, H. Akiyama, et al. ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 32649–32658.)。

新材料的成型加工和利用光进行的粘弹性控制的示意图

图1 新材料的成型加工和利用光进行的粘弹性控制的示意图

在此次开发中,为了制作具备光响应性而且能实现加热成型的聚合物,产综研利用具备光响应的聚合物和通用聚合物制作了嵌段共聚物。这种聚合物材料在常温下为固态,加热到120摄氏度以上便可塑成型,能加工成无需支撑材料的自立性薄膜(膜厚为10μm~)。向该薄膜分别照射几分钟的紫外光(波长为365nm)和绿色可见光(波长为520nm)之后,随着光响应部位的结构发生变化,即使不进行加热,也能可逆地重复液化(软化)—固化的转换(参见视频)。

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视频 此次开发材料的可逆粘接过程


在薄膜的软化过程中,作为硬度目标的储能弹性模量最大降至原先的1/100(图2)。此时,聚合物表面几乎在照射光的同时就开始软化,弹性模量在1分钟内大幅降低。利用这种粘弹性,能够可逆地控制粘接力,有望实现能反复粘接和分离的智能粘接胶带。

照射紫外光后弹性模量降低

图2:照射紫外光后弹性模量降低

为了研究将这种材料用作粘接胶带的可能性,产综研使用玻璃基板和塑料基板进行了粘接试验。实际上,利用加工成薄膜状的聚合物材料,只需照射光即可粘接基板。另外,聚合物材料虽然在固体状态下具有非常强的粘接力,但液化(软化)后,粘合剂层会流动,粘接力降至1/10以下(图3),由此便能轻松剥离接合部。

通过照射光来控制粘接力

图3:通过照射光来控制粘接力

此外,还可以重新利用已经剥离的基板,通过照射光再次进行粘接,可以反复粘接和分离10次以上(图4)。试验确认,新材料能够作为无需加热即可发挥再加工性的智能粘合剂使用。

此次开发的材料可进行成型加工,只需照射光,粘弹性就会大幅改变,这一点十分新颖,除了作为粘合剂使用外,还有望应用于特性可变的冲击吸收材料及摩擦力会发生变化的物体表面等。

反复粘接和分离后粘接力的变化

图4:反复粘接和分离后粘接力的变化
红点表示粘接力,蓝点表示照射紫外光后的残留粘接力

文 JST客观日本编辑部

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