Kleber, der in Wasser verwendet werden kann? Erlernen Sie eine neue Fähigkeit zur Unterwasserhaftung!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Qin Chenxi (Lanzhou Institut für Chemische Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Früher verwendeten die Familien während des chinesischen Neujahrs selbstgemachten Kleister, um die Frühlingsfest-Reime aufzukleben. Auf diese Weise aufgeklebte Reime waren jedoch im Allgemeinen nicht fest und fielen sehr leicht ab, wenn sie vom Regen durchnässt wurden. Neben Klebstoffen gibt es im Alltag viele weitere Klebematerialien, wie beispielsweise Reifenreparaturkleber und transparentes Klebeband. Während der Verwendung erinnern uns unsere Ältesten oft daran, das Wasser auf der Oberfläche abzuwischen, bevor wir es aufkleben, da es sonst nicht fest haftet. Dies zeigt, dass das Vorhandensein von Wasser auf der Oberfläche die Grenzflächenhaftung schwächt. Tatsächlich handelt es sich dabei um einen Bindungsfehler, der durch die Zerstörung der Haftgrenzfläche durch Wassermoleküle verursacht wird.

Couplet

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Adhäsion ist ein unverzichtbarer Bestandteil des menschlichen Lebens. Haftfähige Materialien und Technologien werden in zahlreichen Branchen eingesetzt, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, im Schiffsmaschinenbau (Beschichtungshaftung, Klebstoffe), bei intelligenten Robotern (reversible Haftung und Sensorgeräte), bei tragbaren Geräten (elektronische Haut) und in der Biomedizin (Wundverbände, Knochenhaftung und schnelle Hämostase). Bei herkömmlichen Klebstoffen ist es jedoch schwierig, in einer feuchten oder wasserhaltigen Umgebung eine gute Haftung sicherzustellen. Dies liegt vor allem daran, dass der Wasserfilm zwischen Klebstoff und Untergrund den vollständigen Kontakt zwischen beiden und die Ausbildung intermolekularer Wechselwirkungen behindert. Daher ist das Entfernen dieser Grenzflächenwasserschicht der Schlüssel zum Erreichen einer extrem starken Unterwasserhaftung.

Wie entfernen? Bis heute haben Forscher eine Vielzahl unterschiedlicher Methoden zur Wasserentfernung entwickelt, beispielsweise durch Auspressen, hydrophobe Abstoßung und Adsorption. Konkret entfernten die Forscher Grenzflächenwasser und förderten den Grenzflächenkontakt durch die Herstellung von Mikronanostrukturen auf der Oberfläche und die angelegte Vorspannung. Die hydrophoben Segmente im Klebstoffpolymer weisen eine gute Hydrophobie auf und können Grenzflächenwasser durch hydrophobe Abstoßung wirksam entfernen. Darüber hinaus kann durch die Verwendung wasserabsorbierender Füllstoffe (einschließlich anorganischer Substanzen und hydrophiler Polymere) der Hydratfilm an der Grenzfläche wirksam entfernt werden. Allerdings kann eine einzelne physikalische Dehydratationsmethode das Grenzflächenwasser, insbesondere das Hydratwasser zwischen dem Klebstoff und der Substratoberfläche, nicht vollständig entfernen, sodass es schwierig ist, eine hochfeste Unterwasserhaftung zu erzielen.

Mit welcher Methode lässt sich Grenzflächenwasser effektiv und gründlich entfernen und eine gute Haftung der Grenzfläche gewährleisten?

Klebstoffanwendungen

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Kürzlich schlug das Team um den Forscher Zhou Feng vom Lanzhou Institute of Chemical Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften eine physikalisch und chemisch gekoppelte Methode zur Entfernung von Grenzflächenwasserfilmen vor, die Dehydrationsprozesse auf mehreren Ebenen umfasst.

Erstens wird aufgrund der hervorragenden Benetzbarkeit des Klebstoffs ein physikalischer Ersatz von Grenzflächenwasser im Millimeterbereich erreicht. Zweitens kann der Luftfilm, der durch die chemische Reaktion zwischen den Isocyanatfragmenten im Klebstoff und Wasser entsteht, eine physikalische Abschirmung des Grenzflächenwassers im Mikrometerbereich erreichen. Schließlich wird der Verbrauch von grenzflächengebundenem Wasser durch chemische Reaktionen auf molekularer Ebene erreicht.

Anders als bei einer einzelnen physikalischen Dehydratationsmethode kann mit diesem synergistischen physikalischen und chemischen Ansatz die Entfernung von makroskopischem Grenzflächenwasser zu mikroskopisch gebundenem Wasser effektiv erreicht werden, wodurch die hervorragende Unterwasserhaftung des Klebstoffs sichergestellt wird. Basierend auf dieser Methode entwickelten die Forscher einen Nassklebstoff. Im Gegensatz zu den im Alltag verwendeten Klebstoffen (die sich bei Kontakt mit Wasser sofort in nicht klebenden Hartplastik verwandeln) kann dieser Klebstoff direkt unter Wasser verwendet werden.

Sobald der feuchte Klebstoff auf die Oberfläche des zu beklebenden Objekts gedrückt wird, dringt er schnell ein und verteilt sich. Gleichzeitig wird um den Klebstoff herum ein Blasenkreis erzeugt, der dazu beiträgt, das Wasser auf der Oberfläche abzulassen und Bedingungen für einen ausreichenden Kontakt zwischen dem Klebstoff und der Klebstoffoberfläche schafft. mit der Zeit nimmt die Fließfähigkeit des feuchten Klebstoffs ab und seine Kohäsionsenergie nimmt zu. Basierend auf dem Kontaktzustand und der Interaktion der Schnittstelle, die in der Frühphase vollständig ausgebildet wurden, verbindet der Klebstoff die beiden Zielkontaktflächen fest miteinander. Der Klebstoff verfügt über hervorragende Hafteigenschaften mit einer Haftfestigkeit von 1600 kPa in Wasser (Süßwasser), was einer Haftfläche von der Größe einer Handfläche entspricht, und kann ein Gewicht von 1,6 Tonnen tragen (entspricht dem Gewicht eines gewöhnlichen Autos).

Im Vergleich zu Süßwasser ist die Zusammensetzung von Meerwasser komplexer. Das Salz und der hohe pH-Wert im Meerwasser haben eine stark zerstörerische Wirkung auf Klebstoffe, was leicht dazu führen kann, dass Klebstoffe hydratisieren, sich auflösen und versagen. In Meerwasser behält der Klebstoff jedoch aufgrund der Inertheit seiner funktionellen Gruppen gegenüber Wasser, seines stabilen Vernetzungsnetzwerks und seines tiefen Dehydratationsmechanismus immer noch eine hohe Haftfestigkeit und stabile Haftleistung.

Wofür wird dieser Klebstoff verwendet? Vor dem Hintergrund des Aufbaus einer starken Seefahrernation bewegt sich mein Land allmählich von „hellblau“ zu „tiefblau“.

Klebstoffe werden häufig in verschiedenen Unterwasserprojekten verwendet, beispielsweise zum Verkleben und Abdichten von Schiffsrümpfen, Unterwasserpipelines und Unterwasserroboterkomponenten. In rauen Meerwasserumgebungen wird die Verbindungsschnittstelle jedoch leicht durch das Meerwasser korrodiert und versagt, was zu unermesslichen Verlusten führt. Deshalb ist die rechtzeitige Erkennung und Behebung von Problemen einer der wichtigsten Aspekte bei der Bewältigung von Notfällen.

Dieser Klebstoff kann direkt unter Wasser eingesetzt werden, ist tief feuchtigkeitsabsorbierend, hat eine hochfeste Haftung und verfügt über eine Selbsterkennungsfunktion. Es hat sehr wichtige Anwendungen im Bereich der Unterwassertechnik. Der Klebstoff mit zugesetzten Kohlenstoffnanoröhren verfügt über Sensoreigenschaften und sein Sicherheitsstatus kann anhand der Leitfähigkeitsrückmeldung des Klebstoffs selbst überwacht werden. Wenn beispielsweise ein Schiff während der Fahrt plötzlich beschädigt wird, ändert sich die Leitfähigkeit seines Klebematerials schlagartig und wir können sofort Maßnahmen ergreifen, um an der beschädigten Stelle Wasserreparaturen durchzuführen. Darüber hinaus ist aufgrund der guten Bindungseigenschaften und der adaptiven Vernetzungseigenschaften ohne externe Energiezufuhr auch mit einem Einsatz des Klebstoffs zur Sandfixierung unter Wasser zu rechnen.

Schematische Darstellung des Unterwasser-Klebstoff-Dehydratationsprozesses und der adaptiven Haftung

(Bildquelle: Referenz [1])

Dynamischer Prozess der Luftfilmentfernung von Grenzflächenwasser

(Bildquelle: Referenz [1])

Die Ergebnisse der Adhäsionsforschung bieten großes Anwendungspotenzial bei der Unterwasserabdichtung und der Erkennung von Adhäsionsfehlern und unterstützen die Entwicklung einfacher, bequemer und schneller Reparaturtechnologien. Es wird erwartet, dass Leckageprobleme während der Schiffsbewegung schnell und effektiv gelöst werden. Wir entwickeln derzeit gemeinsam mit Benutzereinheiten entsprechende Produkte.

Bei der Unterwasserhaftung ist Grenzflächenwasser ein sehr wichtiger Einflussfaktor, daher ist eine Dehydratation auf mehreren Ebenen eine Voraussetzung für das Erreichen einer starken Grenzflächenhaftung. Derzeit befindet sich die Forschung zu Dehydrationsmethoden in mehreren Maßstäben noch in einem frühen Stadium und es müssen noch weitere Dehydrationsmethoden erforscht werden. Wir glauben, dass die Forschungsergebnisse in diesem Abschnitt eine theoretische Grundlage und technische Unterstützung für die Entwicklung von Hochleistungsklebstoffen für verschiedene Anwendungsumgebungen bieten.

Quellen:

[1]Qin C, Ma Y, Zhang Z, et al. Wasserunterstützte starke Unterwasserhaftung durch Grenzflächenwasserentfernung und selbstadaptive Gelierung [J]. Proceedings der National Academy of Sciences, 2023, 120(31), e2301364120.