[发明专利]一种分级结构碳纳米管干胶及制备与作为粘接剂的应用

说明书

本发明涉及一种具有分级结构的碳纳米管干胶及制备与作为粘接剂的应用，属于碳纳米管干胶技术领域。该分级结构碳纳米管干胶由如下方法制备：制备一种管径均匀，一定高度、密度的碳纳米管：将上述所制备的碳纳米管干胶进行非晶碳沉积、水蒸气处理和等离子处理，最终得到高度仿生的分级碳纳米管干胶。本发明中的分级结构碳纳米管可以在多种不同粗糙度表面进行多次循环使用，并且在脱附之后表面的阵列结构保持完整。本发明中分级结构碳纳米管干胶在25‑400℃区间内，粘附强度基本保持不变为30N/cm²。

技术领域

本发明属于碳纳米管干胶技术领域，更具体地，涉及一种具有分级结构的碳纳米管干胶及制备与作为粘接剂的应用。

背景技术

2000年Autumn等研究人员通过微机电系统传感器测试，证实了壁虎脚掌粘附力来源于足底绒毛与基底表面间所产生的分子间作用力，即范德华力。之后研究者通过扫描电子显微镜观察壁虎脚掌的绒毛结构，发现绒毛具有复杂的分级结构。这种复杂的分级结构促使壁虎具有在各种不同粗糙度表面上自由爬行的能力。

据研究壁虎的粘附机制可分为两部分：(1)在光滑表面上，壁虎刚毛末端的刮刀与光滑表面形成单一接触；(2)在粗糙表面上，大量的刮刀适应粗糙表面形成紧密接触。在自然界中，绝大多数平面都是粗糙表面，因此具备对不同粗糙表面的适应性的粘附系统才可得到足够大的粘附强度。分级结构的形成可促使壁虎脚掌与自然界各种表面形成足够大的接触面积，从而获得较高的粘附强度。

目前在仿生干胶的研究中表明高分子材料可通过微纳技术制备出形貌多样，结构可调的高分子干胶，并且通过AAO模板法可制备出分级结构高分子干胶，其在粗糙表面上粘附强度相较于普通高分子干胶提高了5倍以上，其可循环使用次数可达200次。但高分子材料受到自身力学性质的限制，当纳米纤维长径比过高时，高分子干胶中的纳米纤维易发生团聚、倒伏等现象，使粘附强度下降，使大部分高分子干胶的粘附强度10N/cm²。且大部分高分子干胶仅适合在光滑的表面粘附，在面临多种不同不同粗糙表面粘附情况下适应性表现并不良好。

碳纳米管干胶可以通过构建分级结构使得预压力更均匀地传递至接触表面，以提高大面积粘附时的粘附强度，而无分级结构的碳纳米管干胶通常随着粘附面积的增大，实际与基底表面接触的碳纳米管数量急剧下降。而目前碳纳米管干胶通过引入等离子体表面处理技术将顶部非阵列结构去除，得到表面碳纳米管顶端聚集成碳纳米管束状。其他具有分级结构的干胶是通过利用各级结构尺寸及力学强度的差异性，使干胶尽可能地进入粗糙表面孔隙中形成接触。而碳纳米管干胶的表面束状结构可轻易插入粗糙表面孔隙中，并在束状结构顶端与孔隙表面接触后，继续产生形变而散开，使得束状碳纳米管的侧边也能够与孔隙内表面充分接触，最终形成的表面束状结构碳纳米管干胶在粗糙表面可获得高粘附强度。这种表面束状的分级结构碳纳米管干胶，其极限使用温度可达1033℃，最大粘附强度可达143N/cm²。针对上述无分级结构的碳纳米管干胶在粘附过程中易发生弯曲形变，在脱附后无法回复，阵列结构被破坏，粘附强度衰减程度大，导致粘附循环性能较差。现以制备一种具有分级结构的碳纳米管干胶来尽可能解决上述问题。

当前所制备的碳纳米管干胶仍局限在光滑或粗糙表面上进行粘附，无法如壁虎脚掌一般适应各种粗糙度表面。且由于在粘附过程中，碳纳米管在预压力作用下形变并发生团聚，碳纳米管阵列结构被破坏，使得当前碳纳米管干胶的循环性能较差，在实际应用中无法循环使用。

发明内容

本发明解决了现有技术中碳纳米管干胶在粘附过程中易发生弯曲形变，在脱附后无法回复，阵列结构被破坏，粘附强度衰减程度大，导致粘附循环性能较差，以及无法适用各种不同粗糙度表面的技术问题。本发明提供了一种具有分级结构的碳纳米管干胶及制备与作为粘接剂的应用，制备方法伟江碳纳米管干胶进行非晶碳沉积、水蒸气处理和等离子处理，最终得到高度仿生的分级碳纳米管干胶。本发明制备得到的碳纳米管干胶在吸脱附的过程中碳纳米管干胶的分级结构基本保持原状，循环性能好，适用于不同粗糙度表面，能在高温环境环境下保持良好的粘附性能。