水の中でも使える接着剤？新しい水中接着スキルを手に入れよう！

制作：中国科学普及協会

著者: 秦晨熙 (中国科学院蘭州化学物理研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

昔、旧正月には、各家庭で手作りの糊を使って春節連句を貼り付けていましたが、このように貼り付けた連句は一般に固くなく、雨に濡れるとすぐに剥がれ落ちてしまいます。接着剤以外にも、タイヤ補修用接着剤や透明テープなど、日常生活には接着材がたくさんあります。使用中、私たちの年長者は、貼り付ける前に表面の水分を拭き取るようによく注意します。そうしないと、しっかりと貼り付かなくなります。これは、表面に水が存在すると界面接着が弱まることを示しています。これは実際には、水分子による接着界面の破壊によって引き起こされる接着不良です。

連句

（写真提供：Veer Gallery）

接着は人間の生活に欠かせないものです。接着関連の材料と技術は、航空宇宙、航空、海洋機械工学（コーティング接着、接着剤）、知能ロボット（可逆接着およびセンシングデバイス）、ウェアラブルデバイス（電子皮膚）、バイオメディカル（創傷被覆材、骨接着、急速止血）など、さまざまな産業に応用されています。しかし、従来の接着剤では、湿気や水分を含んだ環境下では良好な接着性を確保することが困難でした。これは主に、接着剤と基材の間の水膜が両者の完全な接触と分子間相互作用の形成を妨げるためです。したがって、この界面の水層を除去することが、超強力な水中接着を実現するための鍵となります。

削除方法は？これまで、研究者たちは、圧迫、疎水性反発、吸着など、水を除去するためのさまざまな方法を開発してきました。具体的には、研究者らは表面のマイクロナノ構造の製造と予荷重の適用に基づいて界面の水を除去し、界面接触を促進しました。接着ポリマー中の疎水性セグメントは優れた疎水性を有し、疎水性反発によって界面の水を効果的に除去することができます。さらに、吸水性フィラー（無機物や親水性ポリマーを含む）の使用によっても、界面水和膜を効果的に除去することができます。しかし、単一の物理的脱水法では界面水、特に接着剤と基材表面との間の水和水を完全に除去することができないため、高強度の水中接着を実現することは困難です。

界面の水分を効果的かつ徹底的に除去し、界面の良好な接着を確保できる方法は何ですか?

接着剤の用途

（写真提供：Veer Gallery）

最近、中国科学院蘭州化学物理研究所の周鋒研究員が率いるチームは、複数のスケールでの脱水プロセスを含む界面水膜を除去するための物理的および化学的結合法を提案しました。

まず、接着剤の優れた濡れ性に基づき、ミリメートルスケールで界面水の物理的な置換を実現します。第二に、接着剤中のイソシアネート断片と水との化学反応によって形成される空気膜は、マイクロメートルスケールで界面水の物理的な遮蔽を実現できます。最終的に、界面結合水の消費は分子レベルでの化学反応に基づいて達成されます。

単一の物理的脱水法とは異なり、この物理的および化学的相乗的アプローチは、マクロ的な界面水からミクロ的な結合水までの除去を効果的に達成し、接着剤の優れた水中接着性能を保証します。この方法に基づいて、研究者たちは湿式接着剤を開発しました。日常生活で使われる接着剤（水に触れるとすぐに粘着性のない硬いプラスチックに変わる）とは異なり、この接着剤は水中で直接使用できます。

湿った接着剤を接着対象物の表面に押し付けると、すぐに浸透して広がります。同時に、接着剤の周囲に泡の輪が生成され、表面の水分を排出し、接着剤と接着剤界面との十分な接触条件を整えるのに役立ちます。時間が経つにつれて、湿った接着剤の流動性は失われ、凝集エネルギーが増加します。初期段階で十分に形成された界面の接触状態と相互作用に基づいて、接着剤は 2 つのターゲット接触面をしっかりと結合します。粘着剤は、水中（真水）での接着強度が1600kPaと手のひらサイズの接着面積に相当し、1.6トン（普通自動車の重量に相当）の重量を吊り下げることができる優れた接着性を持っています。

淡水と比較すると、海水の組成はより複雑です。海水中の塩分と高い pH 値は接着剤に強い破壊的な影響を及ぼし、接着剤の水和、溶解、破損を引き起こしやすくなります。しかし、海水中では、接着剤は官能基の水に対する不活性、安定した架橋ネットワーク、および深い脱水メカニズムにより、依然として高い接着強度と安定した接着性能を維持します。

この接着剤は何に使用されますか?我が国は海洋強国の構築を背景に、徐々に「水色」から「濃青」へと移行しつつあります。

接着剤は、船体、水中パイプライン、水中ロボット部品の接着やシーリングなど、さまざまな水中プロジェクトで広く使用されています。しかし、過酷な海水環境では、接合界面が海水によって容易に腐食され、破損し、計り知れない損失をもたらします。したがって、問題をタイムリーに検出して修復する方法は、緊急事態に対処する上で最も重要な側面の 1 つです。

この接着剤は、水中で直接作動し、深く脱水し、高強度接着力を持ち、自己検知機能を備えています。これは水中工学の分野で非常に重要な用途があります。カーボンナノチューブを添加した接着剤はセンシング特性を有しており、接着剤自体からの導電性フィードバックに基づいて安全性の状態を監視することができます。例えば、航行中に船舶が突然損傷した場合、その接着材の導電性が急激に変化し、損傷箇所の浸水修復などの措置を直ちに講じることができます。さらに、優れた接着性と外部エネルギー入力なしで適応的に架橋する特性を備えているため、水中の砂の固定にも使用できると期待されています。

水中接着剤の脱水プロセスと適応接着の模式図

（画像出典：参考文献[1]）

界面水の空気膜除去の動的プロセス

（画像出典：参考文献[1]）

接着研究の成果は、水中シーリングや接着欠陥検出に大きな応用可能性を秘めており、簡単、便利、迅速な修復技術の開発をサポートします。船舶移動中の漏洩問題に対する迅速かつ効果的な解決が期待されます。現在、ユーザー各社と関連商品を共同開発中です。

水中接着においては、界面水が非常に重要な影響要因となるため、強力な界面接着を実現するためには、マルチスケールの脱水が前提条件となります。現在、マルチスケールの脱水方法に関する研究はまだ初期段階にあり、より多くの脱水方法をさらに検討する必要があります。このセクションの研究成果は、さまざまな適用環境向けの高性能接着材料の開発に理論的根拠と技術的サポートを提供するものと考えています。

参考文献:

[1]Qin C、Ma Y、Zhang Z、他。界面水分除去と自己適応ゲル化による水支援による強力な水中接着[J]。米国科学アカデミー紀要、2023年、120(31)、e2301364120。