开发利用树脂界面“键交换”的新型粘合技术 - 无需使用粘合剂即可实现不同树脂之间的粘合 -

演示要点

〇 开发了一种强力粘合技术，该技术利用作用于树脂之间界面的“键交换”，不使用粘合剂1厘米²有粘合区域13公斤产生强大的附着力，可以承受超过重量的重量
〇​通过调节粘合剂的热处理时间和温度来调节键交换的进度，可以在较宽范围内控制粘合力的强度
〇房VOC（挥发性有机化合物：有助于解决因使用含有挥发性有机化合物的粘合剂而造成的健康和环境损害

总结

V体育生命科学与应用化学系助理教授 Mikihiro Hayashi 领导的研究小组利用他们在键交换树脂方面积累的知识，开发了一种新的树脂材料粘合技术。许多传统的溶剂型粘合剂VOC（挥发性有机化合物：挥发性有机化合物），从健康和环境损害的角度来看，这被认为是一个问题。这项研究成果是一种不使用粘合剂的粘合技术，因此可以从根本上解决这个问题。

该课题组目前已开展了键交换树脂的基础和应用研究。键交换是指组成树脂的聚合物链中的键因外界刺激而重新结合。在这项研究中，我们通过在不同树脂之间的“接触界面”应用键交换来开发热塑性树脂（*）。1) 和交联橡胶 (*2)，也可以在不使用粘合剂的情况下表现出很强的粘合力（图1）。

树脂粘合技术在各种产品中不断需要创新，包括建筑、车辆、飞机和日常用品（体育用品和鞋子），而这一概念有望具有工业意义，例如简化粘合过程和减少资源使用。

该研究成果于2025年2月11日发表在学术期刊上

研究背景

VOC相关问题长期以来一直是工业中的一个问题，但在不使用硬化粘合剂的情况下很难形成牢固的粘合力。另外，如果可以省略粘合过程（涂胶和固化），则可以提高产品生产效率并节省资源。

Hayashi 助理教授的研究小组迄今为止对可持续交联树脂进行了基础和应用研究，这些树脂通过在交联树脂中引入键交换机制来增加可回收性和可修复性。在之前的研究中，键交换功能被赋予整个交联树脂，但我们提出了这样的想法：“在树脂界面”作用的键交换将有效地在不同树脂之间产生粘合力。界面处发生的无数键交换可以产生跨越界面的大量键，这是强粘附所必需的。

研究内容/结果

该研究小组报告了商业热塑性聚氨酯（TPU）和含有许多羟基的丙烯酸橡胶之间的强粘合力。 TPU是聚合物主链中含有氨基甲酸酯键的树脂，已知氨基甲酸酯键可以与羟基进行交换。另外，由于通过使用适当的催化剂来促进键交换反应，因此在制备丙烯酸橡胶时将1mol％的二月桂酸二丁基锡(DBTDL)加成到羟基上。作为实验的对照样品，我们制备了不含催化剂的含羟基丙烯酸橡胶。

TPU（厚度18mm）和含羟基丙烯酸橡胶（厚度04mm）层压（将丙烯酸橡胶夹在两片TPU薄膜之间层压）并在100℃下热处理24小时。当（丙烯酸橡胶）含有催化剂时，产生很强的粘合性，但当不含催化剂时，根本不发生粘合。为了定量评估这种差异，我们进行了搭接剪切试验（*3），得到的剪切应力-应变曲线如图2所示。

仅在含有催化剂的样品中表现出粘合性能的结果表明，界面处键交换的进展是粘合的关键。当使用含有催化剂的丙烯酸橡胶制成的粘合层压件以1cm2的粘合面积进行热处理时，可以轻松举起13kg的重量。另外，由于TPU在13kg的重量下发生变形，因此无法准确评估，实际最大负载被认为超过13kg。

此外，由于键交换速率受温度影响，界面上的键数量会根据热处理温度而变化，因此我们预测可以根据温度控制从弱到强的粘合力。图4a是80来自℃140℃时搭接剪切试验的结果。另外，最高温度140即使在 ℃ 下TPU永远不会融化(140℃TPU的熔点）。结果表明，正如研究小组所预测的那样，温度越高，粘合强度就越大。图4b的断裂面照片显示界面粘合力的强弱。100°C 下的热处理会导致界面破坏，140℃下，发生丙烯酸橡胶本身被破坏的整体破坏。在工业上，有时预粘合和主粘合在单独的工艺中进行，因此能够以这种方式控制粘合强度的强度也是一个有用的特征。

如上所述，在本研究中，我们开发了一种利用界面键交换而不使用粘合剂的树脂-根据粘合条件（时间和温度）实现树脂粘合和粘合力控制。

社会意义/未来展望

所有工业环境都需要先进的粘合剂技术。特别是，预计下一代汽车和飞机将越来越多地使用比金属更轻的树脂。这是因为重量减轻导致燃油效率提高，减少了石油和电能的使用。此外，作为最终的想法，汽车行业还致力于开发完全由树脂制成的全树脂汽车。为了实现这些目标，提高树脂的物理性能（强度和韧性）以及创新不同类型树脂之间的粘合技术非常重要。

这样，本研究的结果是基于粘合剂的使用VOC预计这将导致上述紧迫问题的解决，并且在未来它将有助于解决环境和资源问题的下一代产业的发展。

这项研究得到了V体育前沿科学学院跨学科研究的支持。

术语表

(※1)热塑性树脂
一种加热时熔化、冷却时硬化的塑料。

(※2) 交联橡胶
在聚合物分子之间创建桥状键称为交联。具有交联结构且在室温下具有柔性的树脂称为交联橡胶。与热塑性树脂不同，它在加热时不会熔化。

(*3) 圈数测试
对粘合层压板施加剪切变形并测量其强度与变形量的测试。也称为拉伸剪切粘合强度试验。

(*4) 傅里叶变换红外光谱 (傅立叶变换红外）
一种用红外光照射样品并测量透射或反射光量的方法。红外光作为分子键的振动和旋转运动的能量被吸收，因此可以从光谱中获得分子的结构和官能团的信息，从而获得物质识别的信息。

(※5) 扫描电子显微镜
一种通过将样品暴露在电子束下来观察样品表面的装置。X您还可以连接射线检测器来执行元素分析。

(*6) 能量分散型X线路分析 (EDS）
电子束照射引起的特性X一种检测谱线并分析其能量和强度以确定样品中元素的类型和含量的方法。

论文信息

论文名称：通过界面的键交换实现高强度聚合物粘合作者姓名：大西良太、林干宏
出版杂志名称：高分子快速通讯
发布日期：2025 年 2 月 11 日（印刷中，网络发布）
DOI：101002/marc202401059
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