港中深朱世平院士、张祺助理教授AFM：无需表面处理，实现氟塑料的超强粘接！

低表面能材料（如聚四氟乙烯PTFE）因其卓越的疏水性和化学惰性，广泛应用于建筑、电子、医疗等领域。然而，这些特性也使其难以与其他材料牢固粘接。传统解决方案依赖离子处理、化学蚀刻等表面改性技术，但这些方法成本高昂且可能损伤材料。因此，开发无需预处理即可直接粘接低表面能材料的高性能粘合剂，成为行业亟待突破的难题。

香港中文大学（深圳）朱世平院士、张祺助理教授团队开发出一种新型含氟共聚物粘合剂，首次在PTFE上实现了创纪录的3.22 MPa粘接强度。该粘合剂通过六氟丁基甲基丙烯酸酯（HFBMA）与聚丙二醇甲基丙烯酸酯（PPGMA）的光聚合反应一步合成，兼具93.7%透光率和优异环境稳定性。其核心突破在于利用HFBMA的C-F键与基材的偶极-偶极相互作用增强界面粘附，同时通过PPGMA侧链的摩擦耗能提升内聚强度。该技术无需表面处理即可粘接PTFE、聚丙烯（PP）、玻璃等多样基材，为工业应用提供低成本解决方案。

粘接机理与性能优化

图1揭示了粘合剂的分子设计：HFBMA提供氟基团与PTFE基材形成偶极相互作用，PPGMA侧链则通过链段爬行摩擦耗散能量。实验表明（图2a），当PPGMA占比15%（F₈₅-P₁₅）时，粘接强度达峰值3.22 MPa，远超纯HFBMA（完全无粘性）。对比测试中（图2b），该粘合剂性能显著优于商用产品和文献报道的离子凝胶体系（如PDMAA-CAC凝胶）。其环境适应性突出（图2c）：在-20℃、90%湿度或紫外老化15天后，强度仍保持2.43-2.62 MPa；经万次剪切循环和7天3 kg负重测试，未出现界面剥离。此外（图2d-e），它在PP、PE、陶瓷、钢铁等基材上均展现稳定粘接。

图1 粘接机制与应用示意图 氟化共聚物粘合剂的界面粘附与内聚机理及潜在应用图示 (图示说明：聚合物链上的氟化基团与PTFE基材形成偶极作用，PPGMA侧链通过摩擦耗散能量) 

图2 a) PPGMA含量对Fx-Py粘合剂搭接剪切强度的影响 b) F85-P15粘合剂与相关研究及商业产品在PTFE基材上的剪切强度对比 c) F85-P15/PTFE接头在90%湿度、-20℃及UV老化环境下的强度变化 d) F85-P15粘接不同基材的强度（玻璃分别与PTFE/PP/PE/PET/陶瓷/钢对接） e) F85-P15在4.0 cm²粘接面积下的宏观粘接测试（基材：PTFE/PET/钢/玻璃）

力学性能与耗能机制

PPGMA含量直接调控材料力学行为（图3a-b）：当添加量从0%增至20%，模量从25.8 MPa降至2.14 MPa，断裂伸长率从7%升至286%。F₈₅-P₁₅的韧性达14.11 MJ/m³，归因于PPGMA侧链的增塑作用。应变速率实验（图3c）显示，材料在低速率下伸长率可达377%，符合艾林模型计算的14.0 nm³活化体积。关键发现是：用丙烯酸丁酯（BA）替代PPGMA后，粘接强度降至1.56 MPa，且耗能比从96.5%（PPGMA体系）降至83.8%（图3d）。流变学分析（图3e-f）进一步证实，PPGMA侧链形成的非共价网络延长了分子链弛豫时间，提升了能量耗散效率。

图3 a) 不同PPGMA含量共聚物的应力-应变曲线（拉伸速率：2 mm/min） b) 韧性与模量随PPGMA含量的变化关系 c) 不同应变速率下的拉伸曲线 d) 屈服应力与应变速率对数（ln ?˙）的线性拟合 e) G'和G"主曲线（参考温度30℃）：P(HFBMA85-co-PPGMA15) vs P(HFBMA85-co-BA15) f) 温变位移因子（aT）的Arrhenius图 

界面作用与普适性验证

XPS分析（图4a-b）发现，粘接后PTFE表面的F 1s峰从689.14 eV移至689.30 eV，O 1s峰中C-O比例增加，证实C-F偶极相互作用和C-O基团参与界面键合。原子力显微红外成像（图4d-e）显示，粘接界面处C-F键（1293 cm⁻¹）信号增强，表明氟基团向PTFE表面定向排列。分子动力学模拟揭示，HFBMA与PTFE的范德华力（98.26 kcal/mol）比BMA体系高32%。团队还验证了设计普适性（图5）：用不同氟单体（如三氟乙基丙烯酸酯）或长链聚乙二醇甲基丙烯酸酯（PEGMA）替代时，粘接强度仍超2 MPa，且侧链越长耗能越强。

图4 a) F85-P15共聚物及其PTFE共混物的高分辨O 1s XPS谱 b) F85-P15共聚物及其PTFE共混物的高分辨F 1s XPS谱 c) 粘合剂与PTFE基材的相互作用机制示意图 d) 非粘接界面的AFM-IR分析：(i) 形貌 (ii) 化学映射 (iii) 3D图谱（波数1293 cm⁻¹对应C-F键） e) PTFE粘接界面的AFM-IR分析：(i) 形貌 (ii) 化学映射 (iii) 3D图谱 图5 a) 候选氟单体（X）的化学结构 b) P(X-co-PPGMA)粘合剂在PTFE上的粘接强度 c) 含侧链候选单体（Y）的化学结构 d) P(HFBMA-co-Y)粘合剂在PTFE上的粘接强度（PEGMA分子量：300/475/550 g/mol）

总结与前景

该研究通过“偶极作用+侧链摩擦耗能”的协同机制，成功开发出首个无需预处理即可粘接低表面能材料的透明聚合物粘合剂。其单组分光固化的简易工艺、93.7%透光率及3.22 MPa创纪录强度，为电子封装、医疗设备等领域提供革新性解决方案。未来可进一步拓展含氟单体与柔性侧链的组合库，推动高性能粘合剂在极端环境中的应用。

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