超强韧环氧树脂的突破：基于“滑轮机制”固化剂实现高强度可逆粘附

作者及机构
本研究的通讯作者为南京理工大学化工学院的Yingpeng Zhou、Zi-Han Zhao（赵子涵）和Jiajun Fu（付佳俊），合作单位包括南京大学配位化学国家重点实验室。研究成果发表于《Advanced Functional Materials》期刊（2025年），DOI: 10.1002/adfm.202517052。

学术背景

科学领域：本研究属于高分子材料与粘合剂领域，聚焦于环氧树脂的力学性能优化与可持续性设计。

研究动机：传统环氧树脂因不可逆共价交联网络导致脆性高、韧性差，且难以回收，限制了其在航空航天、低温工程等极端环境中的应用。尽管动态共价键（如硼酸酯键、二硫键）和能量耗散策略已被用于改善环氧树脂性能，但如何平衡强度、韧性和可回收性仍是关键挑战。

研究目标：设计一种基于“滑轮机制”（pulley mechanism）的固化剂，通过刚性共价“锚定端”（anchor end）和动态B─N配位“滑动端”（sliding end）的协同作用，实现环氧树脂的高强度、高韧性及可逆粘附性能。

研究流程与方法

1. 固化剂设计与合成
- 核心结构：以六亚甲基二异氰酸酯三聚体（THDI）为骨架，通过两步反应构建“滑轮结构”固化剂：
- 锚定端：2,2-(亚甲基二氧基)双乙胺（EL）与THDI反应形成稳定的尿素共价键（–NH–CO–NH–）。
- 滑动端：含动态B─N配位的硼酸酯化合物（BO）与THDI连接，形成可逆能量耗散单元。
- 环氧树脂制备：将固化剂与双酚A型环氧树脂（E44）按化学计量比混合，80℃真空固化12小时，获得透明薄膜（BO2-EL1）。

2. 材料表征与性能测试
- 结构验证：通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）确认B─O配位键（1581 cm⁻¹）和环氧基团消失（912 cm⁻¹）；扫描电镜（SEM）和能谱（EDS）显示元素均匀分布。
- 热性能：差示扫描量热法（DSC）显示玻璃化转变温度（Tg）为113℃；热重分析（TGA）表明5%质量损失温度为271℃。
- 力学性能：
- 拉伸强度：67.78 MPa（接近商用环氧树脂的79.79 MPa）。
- 韧性：4.63 MJ m⁻³，显著高于传统环氧树脂（3.50 MJ m⁻³）。
- 储能模量：高温下仍保持稳定（动态机械分析DMA验证）。

3. 粘附性能与可回收性
- 粘附强度：钢基板上的粘接强度达16.74 MPa，可承受85 kg成人重量（图5c）。
- 极端环境稳定性：-196℃下粘附强度保持>10 MPa；100℃长期处理后强度提升至19.91 MPa。
- 可逆粘附：通过加热（30秒）或DMF溶胀实现非破坏性脱粘，且可重复粘附10次以上（强度保留率>84%）。
- 化学回收：盐酸/DMF混合溶液溶解后，再中和重构，回收材料粘附强度仍达9.43 MPa。

主要结果与逻辑关联

1. “滑轮机制”的能量耗散效应：动态B─N键在受力时断裂-重组（FT-IR温度谱验证），有效耗散能量，同时刚性锚定端维持网络完整性（图1c）。
   
2. 组分比例优化：BO2-EL1（双滑动端+单锚定端）在强度与韧性间取得最佳平衡，而全动态BO3或全刚性EL3性能均不足（图2b）。
   
3. 界面动态键合：粘附过程中B─O/B─N键与基板羟基或金属元素形成可逆相互作用，实现高强粘接（图5a）。
   

结论与价值

科学价值：
- 提出“滑轮机制”分子设计新策略，突破环氧树脂强度-韧性-可回收性的传统权衡。
- 揭示了动态B─N配位键的能量耗散机制与界面键合动力学。

应用价值：
- 适用于极端环境（如航天器低温粘接、可拆卸工业组件）。
- 溶剂原位固化工艺简化了粘合剂制备流程，推动绿色制造。

研究亮点

1. 创新固化剂设计：首次将“滑轮”物理概念转化为分子层面的锚定-滑动结构。
   
2. 综合性能卓越：力学强度媲美商用环氧树脂，韧性提升32%，且具备可逆粘附能力。
   
3. 环境稳定性：-196℃至100℃宽温域内性能稳定，填补了低温粘合剂的技术空白。
   

其他发现
- 氢键网络（尿素-羟基、醚-羟基）的协同作用进一步增强了材料的自修复性和可加工性（2D-COS FT-IR分析，图4f-g）。
- 与同类研究相比（图6e），BO2-EL1在粘附强度、韧性、模量和可回收性四项指标上均领先。

（全文约2000字）