一种能够循环使用的碳纳米管干胶及其制备方法转让专利
申请号 : CN202110304886.9
文献号 : CN113061410B
文献日 : 2021-12-03
发明人 : 徐鸣 , 吴思佳 , 周笛 , 张蒙蒙
申请人 : 华中科技大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种能够循环使用的碳纳米管干胶的制备方法,其特征在于,该制备方法包括以下步骤:
(1)在碳纳米管阵列的端部涂覆一层石蜡;
(2)将所述碳纳米管阵列放置于聚合物单体溶液中,并依次加入引发剂、加速剂和交联剂进行溶液聚合,进而得到碳纳米管干胶;其中,所述聚合物单体溶液为N‑异丙基丙烯酰胺。
2.如权利要求1所述的能够循环使用的碳纳米管干胶的制备方法,其特征在于:溶液聚合后还包括去除所述碳纳米管阵列端部的石蜡的步骤。
3.如权利要求2所述的能够循环使用的碳纳米管干胶的制备方法,其特征在于:采用机械剥离或者有机溶剂溶解法将石蜡自所述碳纳米管阵列上去除;其中,有机溶剂为甲苯或者苯。
4.如权利要求1所述的能够循环使用的碳纳米管干胶的制备方法,其特征在于:所述碳纳米管阵列是采用以下步骤制备得到的:(11)采用磁控溅射方法在硅片基底上先后沉积得到缓冲层和铁催化剂薄膜;
(12)将所述硅片基底放置于管式炉内,并通入氩气和氢气,通过水助化学气相沉积法制备碳纳米管阵列。
5.如权利要求4所述的能够循环使用的碳纳米管干胶的制备方法,其特征在于:步骤(12)后还包括将所述碳纳米管阵列自所述硅片基底上剥离的步骤,所述碳纳米管阵列相背的两端部均涂覆有一层石蜡。
6.如权利要求4所述的能够循环使用的碳纳米管干胶的制备方法,其特征在于:所述碳纳米管阵列远离所述硅片基底的端部涂覆有一层石蜡。
7.如权利要求1‑6任一项所述的能够循环使用的碳纳米管干胶的制备方法,其特征在
3 3
于:所述碳纳米管阵列的高度为50μm~1200μm,密度为15mg/cm~65mg/cm。
8.如权利要求1‑6任一项所述的能够循环使用的碳纳米管干胶的制备方法,其特征在于:所述引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾;所述加速剂为N,N,N′,N′‑四亚甲基乙烯基二胺;所述交联剂为N,N′‑亚甲基双丙烯酰胺;所述聚合物单体溶液:所述交联剂的质量比为=10:(0.2~1)。
9.一种能够循环使用的碳纳米管干胶,其特征在于:所述碳纳米管干胶是采用权利要求1‑8任一项所述的能够循环使用的碳纳米管干胶的制备方法制备而成的,其适用于液体环境。
10.如权利要求9所述的能够循环使用的碳纳米管干胶,其特征在于:通过改变所述碳纳米管干胶的使用环境温度来实现所述碳纳米管干胶的循环使用。
说明书 :
一种能够循环使用的碳纳米管干胶及其制备方法
技术领域
背景技术
2
独特的微纳米层次的分级结构,使其具有优异的粘附性能,如高粘附强度(10N/cm)、高循
环使用次数(不少于30000次)、对不同粗糙度表面的良好适应性及自清洁性。由于这些优异
的特性,仿壁虎干胶应运而生。至今,国内外关于仿壁虎干胶的制备在向更加简单、经济的
方向发展,而结构也越加地精细。仿壁虎干胶也具有与壁虎类似的特性,例如粘附强度高、
对接触表面无损伤、可循环使用等。由于这些优异的性能,干胶的需求日益提升。
态粘附系统,需要保证短期内进行重复的粘附和脱附行为(可循环使用)。主要应用领域是
爬壁机器人和一些精密仪器如电子芯片的智能运输,其中爬壁机器人可用于侦查、太空定
位和高空作业等。从上述应用可以得到,无论是静态粘附系统还是动态粘附系统,对干胶的
可逆粘附或可循环使用具有一定要求。
特的优势。自碳纳米管的粘附性质被发现以来,为了进一步提高其粘附性能,研究人员展开
2
了大量的研究。目前,其被报道的最高粘附强度可以达到143N/cm ,且仅通过施加一定的预
压力即可实现有效的粘附。虽然碳纳米管阵列具有类壁虎刚毛的粘附特性,但是其微小的
直径却使得其抗弯刚度明显降低,因此在循环粘附过程中,碳纳米管干胶的刚毛常常会发
生不可逆的弯曲变形,同时部分碳纳米管刚毛由于强度较低在脱附过程中有部分碳纳米管
易从刚毛中剥离,如“抽丝”一般损坏碳纳米管干胶原本的结构,从而影响了碳纳米管干胶
的循环使用性能。
碳纳米管干胶循环使用性能的技术需求。
发明内容
响应特性,通过改变环境温度实现了碳纳米管干胶的循环使用,成功地提供了一种具有循
环使用性能的碳纳米管彷壁虎干胶,解决了碳纳米管干胶在循环粘附过程中发生不可逆的
弯曲变形从而导致循环使用性能较差的技术问题。
酰胺。
cm。
的质量比为=10:(0.2~1)。
胺基(—CONH—)和疏水性的异丙基[—CH(CH3)2],当温度低于LCST时,酰胺基与外界水分子
之间存在很强的氢键作用,凝胶较为亲水,宏观表现为伸展态;当温度达到LCST时,酰胺基
与水分子间的氢键遭到破坏,结构中的异丙基的疏水性起主导作用,凝胶变得疏水而逐渐
发生收缩,体积缩小约90%;
高于临界温度时,碳纳米管复合干胶可以粘附于目标表面,而低于临界温度时,碳纳米管复
合干胶可以从目标表面脱附,并且脱附之后表面的阵列结构保持完整。
丙烯酰胺)复合干胶,如此仅通过简单的单体渗透自由基聚合即实现了PNIPAM和碳纳米管
复合干胶的制备,技术参数可调控,通过控制单体和交联剂的比值,可以实现对PNIPAM分子
量的控制,从而控制聚合物的粘度,实现有效地复合,并且成本低、效率高,更加有效地通过
热敏高分子的复合提升碳纳米管干胶的循环使用性能,且使得碳纳米管阵列具有在液体环
境中循环使用的能力。
具有循环使用性能的碳纳米管复合干胶。具体来说,碳纳米管阵列的最优高度范围为300~
400μm,这是由于高度过高的碳纳米管阵列容易倒塌,而高度过低的碳纳米管阵列与聚(N‑
异丙基丙烯酰胺)复合后没有足够的高度与基底形成充分的线接触,因此高度范围为300~
400μm的碳纳米管阵列与聚(N‑异丙基丙烯酰胺)复合后的循环使用性能提升效果是显著
3
的;碳纳米管阵列的密度范围为30~35mg/cm ,密度过高的碳纳米管阵列,预压力作用下不
容易发生弯曲,线接触不够,同时,由于碳纳米管阵列密度过高,管与管之间的间隙较小,会
降低聚(N‑异丙基丙烯酰胺)的渗透效率,而密度过低的碳纳米管阵列,天然接触面积过低,
3
因此密度为30~35mg/cm的碳纳米管阵列最为合适,制备得到到碳纳米管复合干胶粘附强
2 2
度为12N/cm ,与壁虎足底粘附强度相当,循环次数达到10后,粘附强度>3N/cm ,大于目前
市售不干胶的粘附强度。
用性较强。
附图说明
具体实施方式
不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要
彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
管径均匀。
~400μm;所述碳纳米管阵列的密度为15~65mg/cm ,根据粘附强度进行挑选,优选为30~
3
35mg/cm。
m;接着,用刀片将所述蜡片切割成与碳纳米管阵列的面积相等的大小,随后升温至140℃,
使得所述蜡片覆盖所述碳纳米管阵列的端部。其中,如果单单在所述碳纳米管阵列远离所
述硅片基底的端部涂覆一层石蜡,则经过后续步骤制备得到的碳纳米管干胶为单面胶;如
果将所述碳纳米管阵列自所述硅片基底剥离,在所述碳纳米管阵列相背的两端均涂覆一层
石蜡,则经过后续步骤制备得到的碳纳米管干胶为双面胶。
过硫酸钾(KPS);所述加速剂为N,N,N′,N′‑四亚甲基乙烯基二胺(TEMED);所述交联剂为N,
N′‑亚甲基双丙烯酰胺,所述聚合物单体溶液与所述交联剂的质量之比为10:(0.2~1)。
(N‑异丙基丙烯酰胺)复合干胶。
液体环境中,通过改变环境温度来实现所述碳纳米管干胶的循环使用。
氧气3sccm,溅射功率为200W,反应时间为10min;铁催化剂采用直流溅射,通入高纯氩气
12sccm,溅射功率为20W,溅射时间为30s。最终制备的氧化铝缓冲层的厚度为10nm,铁催化
剂的厚度为4nm。
35%(210sccm,其中部分氩气携带水蒸气),生长温度为780℃,生长时间范围为200~300s,
3
制备获得的碳纳米管阵列高度范围为300~400μm,密度范围为30~35mg/cm。
片将其切割成5×5mm 的面积大小,随后升高温度至140℃,将其覆盖的碳纳米管阵列的顶
部,冷却至室温。
中,单体溶液浓度为0.1g/ml(1ml去离子水+100mg N‑异丙基丙烯酰胺);
管/聚(N‑异丙基丙烯酰胺)复合干胶;
2
的碳纳米管/聚(N‑异丙基丙烯酰胺)复合干胶在水中的粘附强度为14.76N/cm ,通过改变
2
温度,循环10次后,其粘附强度为3.48N/cm ,变化趋势如图2所示,大于目前市售不干胶的
粘附强度。重复上述步骤,可以测得碳纳米管高度为304μm、398μm的碳纳米管/聚(N‑异丙基
2 2
丙烯酰胺)复合干胶在水中的粘附强度分别为15.16N/cm、12.84N/cm ,循环10次后,粘附强
2
度也均>3N/cm。
3
围为50~250μm,密度范围为15~30mg/cm 。得到的碳纳米管高度为56μm、208μm的碳纳米
2 2
管/聚(N‑异丙基丙烯酰胺)复合干胶在水中,其水下粘附强度分别为3.76N/cm 、4.28N/cm,
2
通过改变温度进行循环粘附强度测试,循环至粘附强度<3N/cm ,循环次数记录如图3所
示。
3
米管阵列高度范围为500~1200μm,密度范围为40~65mg/cm 。可以测得碳纳米管高度为
560μm、804μm、1196μm的碳纳米管/聚(N‑异丙基丙烯酰胺)复合干胶在水中的粘附强度分别
2 2 2
为4.96N/cm 、3.28N/cm、1.52N/cm ,通过改变温度进行循环粘附强度测试,循环至粘附强
2
度<3N/cm,循环次数记录如图3所示。
在本发明的保护范围之内。