背景介绍

粘合剂是现代工业与日常生活不可或缺的关键材料，但随着应用场景向海洋工程、水下修复等复杂潮湿环境拓展，水下粘附所面临挑战愈发凸显。一方面，基材表面极易形成致密的水化层，阻碍粘合剂与基材的直接接触，大幅削弱界面作用；另一方面，长期浸水会诱发粘合剂塑化、溶胀甚至水解，导致内聚强度下降，最终造成粘接失效。现有水下粘合剂普遍存在粘接强度不足、极端温度耐受性差、合成工艺复杂、成本高等突出局限，难以满足严苛环境下的应用需求。

成果简介

针对上述问题，研究团队通过简便的常温常压搅拌反应，实现了铝氧簇亚纳米粒子交联网络（CN ASNPs）有机凝胶的宏量制备。该凝胶通过水化层破坏、微纳机械互锁、高聚合度及丰富分子间作用力等多重协同机制，在水下展现出优异的粘附性能。经硅烷试剂修饰后，凝胶的疏水性进一步增强，且与基材之间的氢键数量显著增加，粘接强度与界面稳定性得到进一步提升。该粘合剂适用于钢、铝、铜、陶瓷及尼龙等多种基材，对钢材的水下粘接强度可达2.41 MPa，在自来水或盐水浸泡、25~90℃温度范围及长达约180天的老化测试中均保持出色稳定性。同时，该粘合剂能够通过溶胀方式轻松去除，不损伤基材表面、不留顽固残胶。目前，该材料已成功应用于水下金属容器及管道的泄漏封堵，在水下及高湿环境应急修复中展现出广阔的应用前景。

图文导读

图1 CN ASNPs及凝胶的表征。(a) CN ASNPs有机凝胶结构示意图。(b) 可宏量制备照片。(c) CN ASNPs的TEM图像。插图展示了CN ASNPs的环己烷分散液及其丁达尔效应。(d) 大尺寸的CN ASNP有机凝胶照。(e) CN ASNPs的XPS谱图。(f) CN ASNPs的FTIR谱图。(g) CN ASNPs的XRD谱图。(h) CN ASNPs的SAXRD谱图。(i-j) CN ASNPs有机凝胶的弹性展示。(k) 干凝胶与湿凝胶的可逆转。(l) CN ASNPs有机凝胶的自愈合性能。

图2 不同反应时间下CN ASNPs的表征。(a) CN ASNPs的分子量随时间变化图。(b) CN ASNPs环己烷分散液的粘度随时间变化图。(c) 气泡照片。(d) 不同反应时间下CN ASNPs的SAXRD谱图。(e-f) CN ASNPs的流变学测试。

图3 水下粘附性能。(a) CN ASNPs有机凝胶粘合剂在自来水中浸泡180天后粘附对比；(b) 在盐水中浸泡180天后的粘附对比。(c) 水下粘接过程。(d) 有机凝胶粘合剂在多种基材上的粘附强度。(e)自来水与盐水中对不同基材的粘附强度对比。(f) 不同固化时间下CN ASNPs有机凝胶粘合剂在钢基材上的粘附强度。(g) CN ASNPs有机凝胶粘合剂在钢基材上的长期粘附稳定性。(h) 不同温度下固化后CN ASNPs有机凝胶粘合剂的粘附强度。

图4 修饰后CN ASNPs的表征及水下粘附性能。(a) CN ASNPs-1和(b) CN ASNPs-2的FTIR谱图。(c) CN ASNPs-1和(d) CN ASNPs-2的SEM图像。(e) ASNPs、(f) CN ASNPs-1和(g) CN ASNPs-2的水接触角。(h) 不同疏水溶剂比例修饰后CN ASNPs的粘附强度。(i) CN ASNPs-1和(j) CN ASNPs-2在钢基材上经不同固化时间后的粘附强度。ASNPs、CN ASNPs-1和CN ASNPs-2的粘附强度对比 (k) 在不同基材上，(l) 在不同温度下固化后，(m) 在自来水中浸泡90天后。

图5 粘附机理与堵漏应用。(a-f) (a, b) CN ASNPs、(c, d) CN ASNPs-1及(e, f) CN ASNPs-2在粘接断裂后两个分离被粘物表面的SEM图像（插图为断裂粘合面的照片）。(g) 粘附机理示意图。CN ASNPs-2在水下直接堵漏(h)铁罐和(i)铝罐的照片。(j) 充满水的1.5米长铁管经CN ASNPs（左）或CN ASNPs-2（右）堵漏60天后的照片。

作者简介

张思敏，北京理工大学教授，博士生导师。主要从事类高分子亚纳米材料的相关研究，主持国家自然科学基金优秀青年科学基金项目、面上项目、中国化学会青年人才托举工程项目、北京理工大学特立青年学者项目等。以第一及通讯作者身份在Science、J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater. 等国际顶级期刊上发表论文三十余篇，获得多项国家发明专利。

王训，清华大学化学系教授，博士生导师，主要围绕亚纳米尺度材料精准合成、组装及功能体系构筑方向开展研究工作。率先提出了亚纳米尺度材料的概念，并在无机亚纳米结构合成及性质研究方面取得系列进展：发展出亚纳米尺度材料合成方法学，获得了系列无机亚纳米尺度材料。实现了具有明确原子结构亚纳米尺寸团簇的精准组装，提出了团簇间亚纳米尺度电子离域的概念。发现了一维无机亚纳米线的类高分子特性，并构建了系列功能体系。在Nature, Science等SCI期刊已发表论文300余篇，SCI他人总引用40000余次。受聘为国家重点研发计划项目首席科学家。曾获国家杰出青年科学基金（2007）、中国青年科技奖（2009）、国家自然科学奖二等奖（23年排名第一、08年排名第二）、教育部青年科学奖（2015）、IUPAC Prize for Young Chemists（2005）、Hall of Fame/Advanced Materials（2018）、国际溶剂热水热联合会ISHA Roy-Somiya Award （2018）、首届科学探索奖（2019）等荣誉。

文章信息

Qi S, Qin Y, Li J, et al. Sub-nanoparticles crosslinking network organogel as the underwater adhesive. Nano Research, 2026, https://doi.org/10.26599/NR.2026.94909043.

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