[发明专利]仿壁虎末端带电定向碳纳米管干黏附阵列的制备方法

说明书

本发明公开一种仿壁虎末端带电定向碳纳米管干黏附阵列的制备方法，属于干黏附技术领域；其是通过对化学气相沉积生长的定向碳纳米管阵列进行等离子体表面修饰，在定向碳管阵列末端接枝羧基、氟基、氨基等极性基团获得的仿壁虎末端带电定向碳纳米管干黏附阵列，黏附性能高，可以应用于仿壁虎机器人脚掌黏附，固体间干黏附接触等领域。

技术领域

本发明涉及干黏附技术领域，特别是一种壁虎末端带电定向碳纳米管干黏附阵列的制备方法。

背景技术

壁虎每支脚的底部长着数百万根极细的刚毛，1mm²上约有14400根长度为30～130μm的刚毛，每支脚上就有近50万根刚毛，每根刚毛又有数百根长度约0.5μm，宽度约0.2μm，厚度约5nm的绒毛，纳米级的绒毛与接触表面接触并产生“范德华力”，完成脚掌的附着(Autumn K,et al.PNAS,2002,99,12252-12256.)。

国内外在仿壁虎黏附阵列的研制方面已经做了大量工作，并取得很大的进展。阵列粘附支杆的尺寸有毫米级，微米级及纳米级。制备方法有微模具注塑法、反应性等离子体刻蚀法、静电诱导刻蚀法、自组织结构孔模板浇注法等，其中微模具注塑法用得较多。浇注材料一般选用聚氨酯(PU)、聚乙烯硅氧烷(PVS)、聚丙烯(PP)等粘性较好，弹性模量较高的有机聚合物，具体进展请见专利(戴振东，何青松，于敏，张昊，用于仿壁虎脚掌粘附阵列的粘附材料及其制备方法，中国发明专利，ZL 201310284325.2)。然而在黏附力测试后，聚合物材料本身低杨氏模量导致其难以恢复到测试前的原始形状(Gorb S,Varenberg M,Peressadko A,et al.Biomimetic mushroom-shaped fibrillar adhesivemicrostructure.Journal of The Royal Society Interface,2007,4(13),271-275.)，而高模量的定向碳纳米管材料可提供更多的纤维组装、抗磨损、抗污染。Ge等研制了定向碳纳米管壁虎胶带，并转移至柔性基底，该壁虎胶带切向黏附达到了36N/cm²(Ge L H,Sethi S,Ci L J,Ajayan P M,Dhinojwala A.Carbon nanotube-based synthetic geckotapes.PNAS,104(26),10792-10795.)；Qu等采用定向碳纳米管阵列作为干黏附材料，可实现100N/cm²的切向黏附(Qu L T,Dai L M,Stone M,Xia Z H,Wang Z L.Carbon nanotubearrays with strong shear binding-on and easy normal lifting-off.Science,2008,322,238–242.)。近几年采用等离子体对定向碳纳米管阵列末端进行表面修饰逐渐被开发。Zhao等采用射频Ar/O₂等离子体对定向碳纳米管阵列进行表面修饰(Zhao B,Zhang L,WangX Y,Yang J H.Surface functionalization of vertically-aligned carbon nanotubeforests by radio-frequency Ar/O₂plasma.Carbon,2012,50,2710-2716.)；Tomlin等采用射频O₂等离子体降低定向碳纳米管的反射率(Tomlin N A,Curtin A E,White M,LehmanJ H.Decrease in reflectance of vertically-aligned carbon nanotubes afteroxygen plasma treatment.Carbon,2014,74,329-332.)；Lobo等同样采用射频O₂等离子体修饰定向碳纳米管表面，发现处理2min后由于O₂等离子体的进攻，定向碳管表面破坏严重(Lobo A O,Ramos S C,Antunes E F,Marciano F R,Trava-Airoldi V J,Corat E J.Fastfunctionalization of vertically aligned multiwalled carbon nanotubes usingoxygen plasma.Materials Letters,2012,70,89-93.)；Chen等采用乙醛、乙二胺等离子体在定向碳纳米管阵列表面枝接醛基、氨基(Chen Q D,Dai L M,Gao M,Huang S M,MauA.Plasma activation of carbon nanotubes for chemical modification.The Journalof Physical Chemistry B,2001,105,618-622.)；Babu等采用射频CO₂等离子体对定向碳纳米管阵列进行纯化和功能化(Babu D J,Yadav S,Heinlein T,Cherkashinin G,Schneider J J.Carbon dioxide plasma as a versatile medium for purificationand functionalization of vertically aligned carbon nanotubes.The Journal ofPhysical Chemistry C,2014,118,12028-12034.)。但是以上等离子体处理研究仅是针对定向碳纳米管的场发射、能量存储和气体传感等，少有针对干黏附应用的研究，仅Xu等采用O₂等离子体对定向碳纳米管表面处理，导致碳管末端团聚，提出了纳米互锁机制(Xu M,DuF,Ganguli S,Roy A,Dai L M.Carbon nanotube dry adhesives with temperature-enhanced adhesion over a large temperature range.Nature Communication,2016,7,134501-8.)。但是O₂等离子体对定向碳纳米管管壁破坏严重，缺陷率增加，不利于提高黏附性。