CIQTEK SEM, 온도 제어 접착 하이드로젤에 대한 Advanced Functional Materials 논문 게재 지원

푸저우 대학교 라이 웨쿤 교수 연구팀은 웨어러블 센서, 소프트 로봇, 조직 공학, 상처 드레싱 등의 분야에서 강력한 접착력을 가진 하이드로젤에 대한 시급한 수요를 충족하는 혁신적인 연구를 수행했습니다. 현재 계면 접착 재료는 두 가지 주요 기술적 과제에 직면해 있습니다. 첫째, 접착 상태와 비접착 상태 사이의 빠르고 가역적인 전환을 달성하기 어렵다는 점, 둘째, 다중 액체 환경에서 접착 성능이 낮다는 점입니다. 최근 연구팀은 다음을 사용하여 심층 연구를 수행했습니다. CIQTEK 주사전자현미경 .

PANC/T 하이드로젤은 아크릴아미드(AAm), N-이소프로필아크릴아미드(NIPAM), 도데실황산나트륨/메틸옥타데실메타크릴레이트/염화나트륨(SDS/OMA/NaCl)으로 구성된 미셀 용액, 그리고 인텅스텐산(PTA)으로 합성되었습니다. PNIPAM 사슬과 SDS 사이의 동적 상호작용은 필요에 따라 접착 및 분리를 가능하게 했습니다. Fe³⁺ 용액에 추가로 담가 다양한 습윤 환경에서 강력한 접착력을 보이는 PANC/T-Fe 하이드로젤을 제작했습니다. 이를 통해 다양한 습도 조건에서 접착 및 분리를 제어할 수 있는 빠른 반응성을 가진 지능형 계면 접착 하이드로젤이 개발되었습니다.

연구는 다음에 발표되었습니다: 첨단 기능성 소재 "동적 사슬 간 상호작용을 기반으로 한 뛰어난 습윤 접착 특성을 지닌 온도 조절형 접착 하이드로젤"이라는 제목으로 연구되었습니다.

제어 가능한 접착성 하이드로젤의 합성 및 구조적 특성

PANC/T-Fe 하이드로젤은 친수성 AAm, 양친매성 NIPAM, 그리고 소수성 OMA의 공중합을 통해 합성됩니다. PTA는 가교제 역할을 하여 고분자 사슬의 아미노기와 수소 결합을 형성하여 안정적인 네트워크를 형성합니다. 연구팀은 NIPAM과 SDS 사이의 상호작용이 하이드로젤의 온도 민감 접착력에 매우 중요하다는 것을 발견했습니다. 낮은 온도에서는 SDS가 결정화되어 PNIPAM 사슬에 부착되어 접착 작용기가 기판과 상호작용하는 것을 방해하고 접착력을 감소시킵니다. 온도가 상승함에 따라 SDS 결정이 녹으면서 접착 작용기와 기판 사이의 접촉이 개선되고 접착력이 크게 향상됩니다. PTA는 고분자 아미노기와 물리적으로 상호 작용하여 고온에서 접착력을 향상시킵니다. 이러한 상호 작용은 가열 시 약화되어 하이드로젤을 연화시키고 접착 부위를 더 많이 생성합니다. 고분자 사슬 간의 동적 조절은 가역적이고 필요에 따라 접착력을 조절할 수 있도록 합니다.

그림 1. 하이드로젤 합성 및 가역적 습식 접착 메커니즘.

접착 성능의 온도 조절 메커니즘

비교 실험을 통해 연구팀은 NIPAM과 미셀 용액의 시너지 효과가 하이드로젤의 온도 민감 접착력에 핵심적인 역할을 한다는 것을 확인했습니다. 시차 주사 열량계(DSC) 분석 결과, 온도 반응은 NIPAM의 저임계 용액 온도(LCST)와는 무관하며, SDS 결정화 온도를 변화시키는 NIPAM-SDS 상호작용의 영향을 받는 것으로 나타났습니다. 현장 FT-IR 실험 결과, 온도 증가는 사슬 간 수소 결합을 약화시켜 더 많은 접착기를 방출하고 접착력을 향상시킨다는 것을 확인했습니다. 유변학적 분석을 통해 온도 의존적인 분자 상호작용 변화를 확인했으며, 이는 하이드로젤이 경직성에서 유연성으로 변화하는 것을 유도했습니다.

그림 2. 온도 민감 접착의 메커니즘 연구.

주문형 접착력 및 강력한 습식 접착력 성능

PANC/T-Fe 하이드로젤은 외부 에너지 입력 없이도 필요에 따라 접착력을 발휘하며, 간단한 얼음 도포만으로도 접착력을 얻을 수 있습니다. 실온(25°C)에서 하이드로젤은 부드럽고 접착력이 뛰어나 유리에서 잔여물 없이 떼어내기가 어렵습니다. 얼음 처리는 내부 응집력과 탄성을 향상시켜 유리에서 자연스럽게 떨어지도록 하고 접착력을 감소시킵니다. 5°C에서 25°C 사이의 여러 사이클 동안 접착력은 안정적으로 유지되어 우수한 가역성을 보였습니다. 다양한 환경에서 조절 가능한 하이드로젤의 접착력은 조직 치유, 재료 복구 및 습윤 환경 액추에이터 분야에서 상당한 잠재력을 가지고 있습니다.

그림 3. 가역 접착력의 성능 테스트.

다양한 액체 환경에서의 습식 접착 성능

하이드로젤은 액체 환경에서도 탁월한 성능을 발휘합니다. 공중합체 사슬은 친수성과 소수성 단위를 모두 포함하고 있으며, Fe³⁺ 처리 후 이러한 부분들이 표면에서 이동하여 재배열되어 물과 기름 모두에서 강력한 접착력을 발휘합니다. 시크텍 SEM3100 연구팀은 Fe³⁺ 침지 전후의 구조 변화를 관찰하여 고분자 네트워크 재배열을 확인했습니다. NIPAM과 PTA의 영향에 대한 연구에 따르면, 이 두 가지의 결합 효과는 건조, 수성, 유성 환경에서 각각 121kPa, 227kPa, 213kPa에 달하는 뛰어난 접착력을 보였습니다. 이 하이드로겔은 유리, 금속, 목재 등 다양한 기판에 강력하게 접착되며, 다양한 유기 용매와 수용액에서도 우수한 접착력을 유지합니다.

그림 4. 다양한 액체 환경에서의 습식 접착 성능.

그림 S10. Fe³⁺ 처리 전후의 하이드로겔 단면의 SEM 이미지로 네트워크가 느슨해진 모습을 보여줍니다.

손상된 재료의 수리 성능

PANC/T-Fe 하이드로겔은 손상된 재료의 임시 보수에 폭넓게 적용될 수 있습니다. 예를 들어, 보트 모형 누수 보수 시험에서 하이드로겔은 액체 누출을 신속하게 차단하며, 보수된 보트는 특정 무게를 누수 없이 견뎌냅니다. 손상된 기판을 물과 기름 속에서 보수할 때, 하이드로겔은 각각 57kPa와 49kPa의 최대 파열 압력을 견뎌냅니다. 얼음에 닿으면 잔여물 없이 쉽게 제거할 수 있어 생체 의학 및 스마트 소재 응용 분야에 매우 중요한 특징으로, 뛰어난 실용성을 보여줍니다.

그림 5. PANC/T-Fe 하이드로젤의 임시 수리 성능.

본 연구는 다양한 환경에서 강력한 접착력과 가역적인 온디맨드 접착력을 가진 PANC/T-Fe 하이드로젤을 성공적으로 합성했습니다. 동적 사슬 간 상호작용이 접착 성능에 미치는 영향을 규명하여 새로운 지능형 접착 소재 개발에 대한 이론적 지침을 제시했습니다. 얼음을 이용하여 외부 에너지를 필요로 하지 않는 온디맨드 접착력을 구현함으로써, 액체 환경에서 지능형 접착제를 개발하는 새로운 접근법을 제시합니다. 이러한 혁신적인 접착력 제어는 광범위한 응용 분야를 가능하게 하고 스마트 접착제 기술을 발전시켜 접착 관련 과제에 대한 새로운 해결책을 제시할 것으로 기대됩니다.