聚脲（PUa）由于可快速固化、高化學/濕度穩定性以及多種基材適用性等特點，在膠黏劑領域具有廣泛的應用。然而，聚脲中脲基單元的羰基和臨近脲基的兩個氫原子可形成雙向締合的氫鍵，這種分子間的強氫鍵作用導致其熔點和分解溫度相近，可加工性差，且造成聚脲膠粘劑內聚能和界面粘附能的失衡。
近日，蘇州大學嚴鋒教授團隊從分子結構設計入手，報道了一種具有強粘附性能的CO2基離子型聚脲（圖1a）。基于側鏈、陰離子的插層作用和陽離子基團間的靜電排斥作用，大量的脲基被“活化”；這些被“活化”的脲基協同離子基團的靜電作用，可以與基材界面形成強氫鍵，進而增強聚脲與基材的粘附能力。由于該離子型聚脲兼具離子基團和脲基，表現出良好的極端環境穩定性、自愈合性、阻燃性、抗菌性和熒光性等。其中，熒光性可用于膠黏劑的服役失效監測。
圖1. a)非離子聚脲（PUa）和離子型聚脲（PUa-R-X）化學結構式。b) 非離子型和離子型聚脲膠黏劑內部及其與基材界面的氫鍵示意圖。c) 離子型聚脲熒光標記、抗凍和裂紋檢測應用展示 圖2. a) PUa和PUa-R-X對玻璃的粘附強度。b) PUa-C3-TFSI和文獻報道的離子液體、聚離子液體以及聚脲基的膠黏劑對玻璃的粘附性能對比圖。c, d) PUa和PUa-C3-TFSI脲基中羰基（C=O）的紅外光譜。e) PUa, PUa-C3-X和PUa-OH-X中羰基二級結構含量比例。f) DFT模擬計算得到的PUa, PUa-C3-X和PUa-OH-X內脲基(NH···O=C)間距離。g) MD模擬計算得到PUa-C3-TFSI和玻璃表面的結合能。h) PUa、PUa-C3-TFSI和PUa-OH-TFSI分子間(空心標記)及其與玻璃界面間（實心標記）的平均分子間氫鍵長度。 研究者對離子型聚脲粘附性能進行了測試與表征，證明了離子基團的引入可以大幅提高聚脲粘附性能(圖2)。利用密度泛函理論（DFT）和分子動力學模擬（MD）系統地證實了陽離子之間的靜電斥力和陰離子的插層作用可破壞脲基之間的強氫鍵作用。其中，陰離子的尺寸越大，分子內脲基被“活化”得越充分，與基材的界面氫鍵作用越強，表現出優異的粘附性能。 圖3. a) 室溫下，PUa-C3-TFSI膠黏的玻璃（粘附面積為2.5 cm2）可以提起50 kg重物。b) 兩對PUa-C3-TFSI膠黏的玻璃可以承受75 kg的成年人。c) PUa-C3-TFSI膠黏的玻璃（粘附面積為1 cm2）在-80 ℃放置后12 h后仍可以提起2.1 kg的重物。d) 用涂有PUa-C3-TFSI的鋁箔紙可以快速修復漏水的水桶。e) 膠黏劑實時裂紋檢測。在紫外光照下，紅色箭頭標記的亮點表示一定拉力下產生的裂紋。f) PUa-C3-TFSI可以作為熒光標記指示水深。g) PUa-C3-TFSI循環使用3次，仍然表現出良好的粘附性能。 圖4. a) PUa和PUa-C3-PF6涂覆的濾紙UL-94測試。b) PUa-C3-PF6和燃燒產生的膨脹碳層中P2p和F1s的XPS光譜。c) PUa和PUa-C3-TFSI抗菌性能 該CO2基離子型聚脲兼具聚脲和離子聚合物的特性，表現出優異的耐低溫性、耐溶劑穩定性、自愈合性、循環穩定性、阻燃性和抗菌性。同時，其熒光特性可以用作熒光標記或膠黏劑的服役失效監測。 該研究展示了一種高強的CO2基離子型聚脲膠黏劑。通過對聚脲進行部分離子化以及陰離子交換實現調控離子型聚脲的粘附性能和多功能性。這項研究工作為設計高強、多功能的膠粘劑提供了一種新的思路。相關成果以“High-toughness CO2-sourced Ionic Polyurea Adhesives”為題發表于Advanced Materials上。文章的第一作者為東華大學博士后歐旭，共同通訊作者為東華大學周瑩杰副教授和蘇州大學嚴鋒教授。
