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【研究背景】
2021年，中国的粘合剂产量高达709万吨，其制品在使用结束后产生的相应的废弃物会造成严重的环境污染问题和资源浪费。通过研发具有循环生命周期的完全可回收利用粘合剂可以有效缓解上述问题，实现粘合剂的可持续发展。然而，现有报道的可回收粘合剂在复杂的应用条件下通常存在粘附强度低和耐久性差等问题。另外，在众多应用中，粘合剂的阻燃性能尤为重要。如应用于电子设备时，往往需要高阻燃性来降低潜在的火灾风险。因此，开发可完全闭环回收利用的阻燃多功能粘合剂仍然是粘附科学和材料工程领域的巨大挑战。
【主要内容】
近期，四川大学环保型高分子材料国家地方联合工程实验室赵海波教授团队通过含磷芳基硅氧烷衍生物（DPOP-Si）的缩聚反应制备了一种可完全回收利用的阻燃多功能粘合剂（P(DPOP-Si)）。该粘合剂不仅具有高耐久、高透明和优异的阻燃性能，并且可耐多种极端苛刻环境，而在乙醇刺激响应下可以实现完全回收和再利用。
图1 P(DPOP-Si)粘合剂的制备和组装示意图
研究人员设计并合成了一种具有高耐久性的含磷改性聚有机硅氧烷（P(DPOP-Si)），其中DPOP基团不仅可以提供有利于组装行为的π-π相互作用位点，还可以大幅增强其阻燃性能（图1 A）。在前驱液的乙醇溶剂挥发过程中，P(DPOP-Si)在π-π堆积相互作用力驱动下可以在应用基材的表面发生有序自组装（图1 B），从而提供强大的分子内内聚能，并赋予P(DPOP-Si)粘合剂高透明性，可见光透过率高达98%，雾度仅为2.5%（图1 C-E）。
图2 P(DPOP-Si)粘合剂的粘附性能以及在多种苛刻环境下的高粘附耐久性
由于π-π相互作用力的对水不敏感性及其引发的强大分子内内聚能，P(DPOP-Si)在多种基材的表面均显示出高且耐久的粘附性能。通过粘附强度测试发现，其在玻璃基材表面的剪切粘附强度高达3.5 MPa，同时对钢、木材、PET薄膜等基材也展现出良好的粘附性能（图2 A-C）。值得注意的是，该粘合剂还表现出优异的极端环境耐受性，其在盐/酸/碱溶液环境（pH 1-14）和宽的温度范围内（-10–90 ℃）经过长时间处理后，其粘附性能依然保持稳定（图2 D-E）。
图3 P(DPOP-Si)粘合剂的可逆组装和循环再利用
尽管P(DPOP-Si)在水中和多种苛刻环境下具有优异的耐久性，但其对乙醇具有快速解组装响应特性（图3 A-C），通过乙醇的渗透与挥发过程可驱动P(DPOP-Si)的解组装和组装行为，进而实现P(DPOP-Si)粘合剂的完全回收和再利用。在木材表面反复使用100次后，循环使用效率依然高达100%（图3 E）。
图4 P(DPOP-Si)粘合剂的可逆组装/解组装机理
通过实验和理论模拟计算在分子水平上证实了P(DPOP-Si)发生可逆组装/解组装行为的机理。富含芳环的DPOP结构空间位阻较大，使得P(DPOP-Si)的交联密度降低，从而在乙醇中具有优异的溶解性；而在乙醇挥发过程中诱导形成的π-π堆积作用可快速驱动P(DPOP-Si)的组装，并提供强大的内聚力，从而实现P(DPOP-Si)的可逆组装。
图5 用于保护涂层时的阻燃性、高耐久性以及可循环利用性
此外，P(DPOP-Si)粘合剂可用作防护涂层，应用于不同的基材（图5 A）。由于富含高阻燃性的含磷结构，P(DPOP-Si)涂覆PET聚酯织物表现出优异的耐久阻燃性能，在附着量仅为7.3 wt%时，织物燃烧时无熔体滴落，极限氧指数从21.5%提升至34.5%，峰值热释放速率和总热释放降低，织物的火安全性得到大幅提高（图5 B-C）。此外，P(DPOP-Si)在用作织物的防护涂层时，同样具有可完全回收和优异的耐久性，在经过长期耐水和摩擦实验以及5个循环利用实验后，涂层处理PET织物依然可以保持初始的优异阻燃性能（图5 D-G）。该研究为具有循环生命周期的多功能粘合剂和涂层的可持续发展提供了新的思路和策略。
该研究成果以题为“Fully recyclable multifunctional adhesive with highdurability, transparency, flame retardancy, and harsh-environmentresistance”发表在国际知名期刊《Science Advances》上，该论文的第一作者为四川大学化学学院环保型高分子材料国家地方联合工程实验室的博士研究生王子豪，汪秀丽教授和赵海波教授为论文的共同通讯作者，该工作得到了国家自然科学基金（U19A2045、52122302、51991351和51790504）的支持。
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add8527
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