[发明专利]一种碳纳米管双面胶及其制备方法和应用

说明书

本发明属于碳纳米管干胶材料制备领域，并具体公开了一种碳纳米管双面胶及其制备方法和应用，该碳纳米管双面胶采用如下方式制备：制备一定高度和密度的碳纳米管材料；将制备获得的一定高度和密度的碳纳米管材料的上、下表面进行表面处理，获得所需的碳纳米管双面胶。该碳纳米管双面胶可以在液体环境中使用，数小时后仍然保持粘附状态。本发明具有工艺参数可控性强，操作简单易行的优点。

技术领域

本发明属于碳纳米管干胶材料制备领域，更具体地，涉及一种碳纳米管双面胶及其制备方法和应用。

背景技术

壁虎可以在任何粗糙度基底上攀爬，这种独特的现象已经引起了人们的兴趣。2000年，科学家们发现了壁虎脚掌上存在着数以万计的刚毛阵列结构，同时也正是这些刚毛的存在使得壁虎可以与物体表面形成紧密接触，形成分子间作用力，即范德华力。这种现象的发现促使科学家们通过模拟壁虎脚掌的结构去实现合成阵列干胶材料。但是由于壁虎脚掌的刚毛尺寸通常在微纳级别，因此传统的模板法，微纳制造法，光刻法等很难实现微观尺度下的精确调控，往往不能获得良好的粘附效果。后续研究工作的突破是化学气相沉积法制备阵列碳纳米管技术的发现，粘附强度达到11.73N/cm²，超越壁虎与基底之间的粘附力10N/cm²，从此碳纳米管在干胶粘附领域的性能探索成为科学家们的研究热点。

碳纳米管拥有超高的长径比，优异的电学、热学和力学性能，已经广泛应用于干胶粘附领域。Sethi等(Sethietal.Gecko-Inspired Carbon Nanotube-Based Self-CleaningAdhesives[J].NANO LETTERS.2008,8,822–825)研究者通过设计一种特殊的碳纳米管的阵列结构，达到了可以“自清洁”的目的，实现了粘附材料的多次重复利用。由于碳纳米管干胶粘附材料在获得高切向粘附强度的同时，其法向粘附力通常只有切向粘附力的十分之一，具有粘之容易、揭去不难的特点，因此碳纳米管双面胶已经成为粘附领域中重要的研究方向。

虽然碳纳米管的干胶粘附的使用环境已经被研究了许多年，但是少有针对在液体环境中的应用探索，主要原因在于传统工艺制备的碳纳米管在液体环境中的超疏水和疏油性能，从而阻碍其在液体环境中的应用，同时传统工艺的碳纳米管顶部的微缠绕结构会限制其在粗糙表面的粘附力(例如Y.Zhao et al.Interfacial energy and strength ofmultiwalled-carbon-nanotube-based dry adhesive[J].J.Vac.Sci.Technol.B 2006,24,331)。具体而言，在通过化学气相沉积法制备碳纳米管的过程中，铁膜会在高温下裂解形成铁颗粒，碳原子在铁颗粒中的过饱和析出形成碳纳米管，但是由于材料热力学、动力学以及奥斯特瓦尔德熟化的作用，铁膜的裂解形成的铁颗粒并不是完全均匀分布，当部分铁颗粒形成临界晶核尺寸的时候，还有相当比例的铁颗粒仍在长大过程中。因此，在在碳纳米管的生长初期，只有在这些满足临界晶核尺寸的铁颗粒才可以过饱和的析出碳纳米管，这些铁颗粒的分布是宏观上规则分布但微观上随机存在的一种分布趋势，这种分布的结果导致碳纳米管在初期形成阶段，是一种低密度的生长过程，使得碳纳米管在生长初期不能互相“依靠”垂直生长，反而是一种类似与水平生长的趋势；随着生长过程的持续，绝大多数的催化剂已经形成临界晶核，可以满足催化条件，不断析出的碳纳米管此时已经产生“拥挤”效应，形成阵列结构，而初期的低密度生长过程中的碳纳米管则形成缠绕结构，该结构位于阵列结构的顶部(例如S.M.Huang,L.Dai,A.W.H.Mau et al.Patterned growth andcontact transfer of well-aligned carbon nanotube films[J]J.Phys.Chem.B,1999,103,4223)。这种结构是碳纳米管制备过程中自然形成的结构，将其作为粘附材料时，其顶部会阻碍碳纳米管与基底界面之间形成紧密接触，同时在液体环境中，液体分子的浸入会在碳纳米管与粘附基底之间形成一层阻挡，进一步减小范德华力。此外，目前的碳纳米管干胶材料主要集中在单面胶上，还没有人研究过碳纳米管双面胶的制备工艺。