Путем сложных манипуляций с химической структурой обычного бытового пластика ученым удалось превратить его в многоразовый клей с уникальными и весьма полезными свойствами. Небольшой кусочек вещества может удерживать в воздухе груз весом около 136 килограмм, и исследователи утверждают, что это один из самых прочных материалов, известных науке.
Исследователи из Национальной лаборатории Ок-Ридж переработали обычный пластик, что позволило создать новый многоразовый клей с исключительной прочностью и жесткостью. Credit: Carlos Jones/ORNL, U.S. Dept. of Energy
Новый прочный клей - дело рук ученых из Национальной лаборатории Ок-Ридж Министерства энергетики США (ORNL), которые использовали каучуковый модификатор стирол-этилен-бутилен-стирол, или SEBS, в качестве отправной точки. Этот каучуковый полимер можно найти в зубных щетках, рулевых накладках или в детских подгузниках, но исследователи смогли наделить его новыми свойствами, внеся изменения в его химическую структуру.
Это было достигнуто с помощью процесса, известного как динамическое сшивание, которое позволяет соединить обычно несовместимые материалы. Ученые использовали этот метод для соединения наночастиц кремнезема и полимера с помощью соединений, называемых бороновыми эфирами, в результате чего получился новый композитный материал с поперечными связями, который они назвали SiNP. Боровые эфиры являются ключом к многократному использованию клея, поскольку они позволяют формировать и разрывать сшитые связи многократно.
Ученые ORNL Мд Анисур Рахман (слева) и Томонори Сайто демонстрируют прочность нового адгезива. На поверхности размером в 1 квадратный сантиметр может удерживаться груз в 136 килограмм. Credit: Carlos Jones/ORNL, U.S. Dept. of Energy
"Фундаментальным открытием стало то, что бороновые эфиры в составе SEBS могут перестраивать связи с гидроксильными группами ( кислородом и водородом) в SiNP, чтобы адаптировать свойства для выполнения самых трудных задач", - говорит ведущий автор исследования Мд Анисур Рахман. "Мы также установили формирование подобных обратимых связей бороновых эфиров с различными поверхностями, имеющими гидроксильные группы".
Эти сшитые связи фактически смещаются внутри нового материала, что позволяет ему прилипать к поверхностям настолько прочно, что квадратный сантиметр материала может выдержать примерно около 136 кг. Исследователи провели испытания на прочность, в которых они пытались разорвать соединение под воздействием внешних сил, при этом материал показал отличные результаты и превзошел все существующие клеи, которые тестировались в ходе эксперимента. По словам ученых, сочетание прочности и пластичности делает его одним из самых стойких материалов, которые когда-либо были получены.
"Сильные и прочные клеи трудно разрабатывать, потому что они должны совмещать в себе жёсткость и вязкость одновременно, что обычно несовместимо", - говорит научный сотрудник ORNL и автор соответствующего исследования Томонори Саито (Tomonori Saito). "Проблема заключается в том, чтобы добавить жесткость, которую можно получить в гибких материалах, не жертвуя прочностью. Наш подход использует динамические химические связи для создания нового клея с замечательными свойствами, которые не встречаются в существующих материалах".
Схематическая иллюстрация динамической ковалентной связи боронового эфира с полимерной матрицей и SiNPS
Клей также пригоден для вторичной переработки и сохраняет свои свойства при температуре до 400 °F (204 °C). Учёные предполагают, что он найдет применение в аэрокосмической, автомобильной и строительной отраслях, и сейчас работают над совершенствованием технологии.
"Экономия ресурсов и сокращение отходов выгодны как для промышленности, так и для окружающей среды", - говорит Сайто. "По своей конструкции этот клей позволяет производить ремонт или исправлять допущенные ошибки и может быть переработан для повторного использования в самых сложных областях ".
Исследование было опубликовано в журнале Science Advances.
Источники: Ок-Риджская национальная лаборатория
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abk2451
https://www.ornl.gov/news/polymer-upcycling-common-plastic-adds-toughness-recyclability-structural-adhesives
