Weak Bonds in a Biomimetic Adhesive Enhance Toughness and Performance

化学 胶粘剂 延展性(地球科学) 韧性 粘结强度 乙二醇 聚合物 氢键 复合材料 纳米技术 有机化学 蠕动 分子 材料科学 图层(电子)
作者
Michael G. Mazzotta,Amelia A Putnam,Michael A. North,Jonathan J. Wilker
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:142 (10): 4762-4768 被引量:109
标识
DOI:10.1021/jacs.9b13356
摘要

Developing future high performance adhesives is predicated upon achieving properties including strength and ductility. However, designing tough materials that are simultaneously strong and soft is usually contradictory in nature. Biological materials including shells and wood achieve impressive toughness by using weak bonds to connect larger structures at several length scales. Here, we show that this toughness design approach can be applied to synthetic adhesives. A biomimetic adhesive polymer, poly(catechol-acrylic acid), was examined in conjunction with several compounds containing two organic functional groups. In a typical example, the diol ethylene glycol decreased the overall system modulus. Performance was seen to increase significantly. Spectroscopic and physical methods indicated that these bifunctional additives created an interpolymeric network of weak hydrogen bonds. Material toughness was enhanced when breakable bonds were available to dissipate mechanical stresses while leaving the surrounding matrix intact. These discoveries illustrate how a biological materials strategy of interplay between strength and ductility can be achieved with sacrificial bonds in an adhesive. Such an approach may be a general principle applicable to designing higher performance electronics, transportation, and aerospace systems.
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