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  水下膠粘劑是水下修補、水基設備、醫療手術、傷口敷料、水下可拉伸電子產品等領域不可缺少的材料。然而，開發一種具有強力、快速、穩定粘接性能的水下膠粘劑仍然是一個巨大的挑戰。這是因為在水環境中，水分子會在基體表面和膠黏劑之間形成一層水合層，阻止了膠粘劑與基體的接觸，從而使粘接強度大大降低。為了打破水合層，人們利用鄰苯二酚基團、主客體、靜電和疏水相互作用等策略來設計了多種水下膠粘劑。然而，它們往往存在易氧化、pH敏感、需要預先對底物表面進行修飾和有機溶劑泄漏等問題。更重要的是，受膠粘劑本身力學性能的限制，這些膠粘劑的水下粘接強度通常很弱（<1 MPa）。通常來說，為了獲得牢固的粘接效果，粘接材料應具有較高的力學強度，并且必須與基材表面充分接觸，以獲得很強的界面相互作用。然而，力學強度高的材料往往難以適應粗糙的基材表面，從而導致界面相互作用較弱。總之，開發一種既能有效破壞含水合層，又能打破力學強度與界面適應性之間矛盾的方法是在水環境中建立牢固粘合的關鍵。

  武培怡教授課題組近年來開發了一系列基于水凝膠、彈性體和微纖維的柔性傳感器，實現了多重感知功能（Adv. Mater. 2017, 29, 1700321，Nat. Commun. 2018, 9, 1134，ACS Nano, 2018, 12, 12860，Nat. Commun. 2019, 10, 3429，Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1908018., ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 5, 6731–6738，Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2008020，Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1910387， Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2101494.），并且利用含氟離子凝膠的優異性能，將柔性傳感器的應用范圍拓展到水環境中(Adv. Mater. 2021, 2008479)。

  近期，武培怡教授課題組設計了一種具有力學性能自增強能力的離子凝膠，打破了力學強度與界面適應性之間矛盾，實現了水下超強粘附。離子凝膠（IG）是由含氟聚離子液體poly[MATAC][TFSI]和相應的離子液體單體[MATAC][TFSI]組成。由于C-F鍵固有的疏水性，IG可以破壞水合層，并實現水下粘附。此外，由于IG內的[MATAC][TFSI]可以進一步被聚合，聚合后可大大提高IG的力學強度。結果表明，利用離子凝膠聚合前良好的界面相容性和聚合后較高的力學強度，可以實現強而穩定的水下粘附。水下粘附強度高達5.18±0.27 MPa，比文獻中大多數的水下膠黏劑粘附強度提高了一至兩個數量級。此外，IG具有廣泛的環境適應性，能夠在強酸（1 M HCl）、強堿（1 M NaOH）和高濃度鹽（1 M NaCl）溶液中實現強力粘附。基于離子凝膠，武培怡教授課題組還制備了一種防水透明膠帶。與商用透明膠帶相比，這種防水透明膠帶可在潮濕和水環境中保持優異的粘附強度，并且能夠完成修補工作。相關論文以“A Highly Transparent Ionogel with Strength Enhancement Ability for Robust Bonding in Aquatic Environment”為題，發表在《Mater. Horiz.》上。

圖1. 離子凝膠的水下粘附過程及其力學自增強性能和截面適應性。

  在水環境中，水分子可以在基質表面形成水合層。當IG被壓在基板上時，由于IG的疏水性，水合層被破壞，形成粘附，并且由于較低的力學強度，IG能夠完全適應粗糙的基板表面。

圖2. 離子凝膠原位聚合前后的水下粘附強度。

  由于IG的松散聚合物鏈不能與基質表面形成高密度的相互作用，并且IG的機械強度較低，在脫粘過程中無法承受足夠的載荷，因此水下粘附強度較低。但是，當IG暴露于紫外光下時，IG內的離子液體單體可以進一步聚合并形成更多的聚合物鏈。一方面，IG表面的高密度聚合物鏈提供更多與襯底表面的非共價鍵合位點。另一方面，IG模量的急劇增加使其能夠承受脫粘過程中的高剪切應力。

圖3. 引入能量耗散后離子凝膠的水下粘附性能。

  在IG中引入了一種不可聚合的離子液體——[N₄₁₁₁][TFSI]，增加剝離過程中的能量耗散，離子凝膠的水下粘附強度能夠進一步提高。隨著[N₄₁₁₁][TFSI]的質量比從0增加到0.4，離子凝膠對玻璃的水下粘附強度從3.44±0.17 MPa增加到5.18±0.27 MPa，明顯優于文獻中報道的水下膠黏劑的粘附強度。同時，離子凝膠在強酸、強堿和高濃度鹽溶液中也具有超高粘附強度。

圖4. 防水透明膠帶的水下粘附性能。

  利用離子凝膠的透明性和優異的粘附性能，通過簡單地將離子凝膠涂覆在商用PET薄膜表面制備得到了一種防水透明膠帶（WTT）。由于制備工藝簡單，WTT有大規模制備的潛力。WTT對鋁、鐵、木材、PTFE、PP和陶瓷等不同材料具有較強水下粘附強度，并且能夠快速實現水下修補工作。

  復旦大學先進材料實驗室博士生于振川為文章第一作者，通訊作者為武培怡教授。該課題得到了國家自然科學基金重點項目(51733003)等項目的資助與支持。

  論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2021/MH/D1MH00461A#!divAbstract