本發(fā)明涉及仿生材料領(lǐng)域，尤其涉及的是一種高性能粘附材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

《蜘蛛俠》是一部充滿著無窮想象力的電影，彼得·帕克原本是一個平凡的高中生，但當(dāng)他被一只具有放射線的蜘蛛咬到后，他就擁有了各種超能力：可以在墻壁和天花板上行走，其出色的動作場景，很容易讓觀眾從空間和時間上去進行身臨其境的體驗。毫無意外，從喜歡上這個已經(jīng)走過半個多世紀(jì)之久的經(jīng)典漫畫人物開始，他是如何“飛檐走壁”的就引起了我的關(guān)注。自然界中壁虎的“游墻功”比“蜘蛛俠”更勝一籌。即使在光溜溜的玻璃墻上，它們照樣可以漫步或者靜靜地等著飛蟲路過。而壁虎這一神功的練就主要歸功于它的腳！壁虎的每個腳趾下面都有一排排“襯墊”，每個“襯墊”上有成千上萬的剛毛，每根剛毛的頂端又分散幾百個毛茸茸的“小刷子”。這些“小刷子”形成了非常大的吸附力，使得壁虎每走一步，就像把腳像貼紙一樣從墻上撕下來，然后黏到別處，而且不會留下任何殘留物。如果能制作出和壁虎爪一樣的仿生原理粘附材料，貼在機器人手、腳上可以滿足外層空間探測、地震搜救、反恐襲擊、市容服務(wù)等領(lǐng)域廣泛而迫切的需求。許多課題組致力于制備粘附性能優(yōu)異且可控的干性粘結(jié)劑，制備這種粘附材料的出發(fā)點大多數(shù)是對壁虎爪的微納米剛毛結(jié)構(gòu)仿生，利用高分子材料或碳納米管制備納米線陣列。這種納米材料的特點是材料本身無粘性，粘附性能可以通過納米線形貌陣列幾何尺寸等因素控制，因而在爬壁機器人、工業(yè)運輸、生物貼片和太空取物等領(lǐng)域都有較多的應(yīng)用。然而，這種材料的缺點在于其難以實現(xiàn)大面積制備和大規(guī)模生產(chǎn)，以及納米線容易倒伏導(dǎo)致粘附材料失效。

近年來出現(xiàn)的聚二甲基硅氧烷(PDMS)/碳纖維復(fù)合粘附材料是一種新型的功能型仿壁虎爪粘附材料，其與硅及其氧化物表面、金屬表面、木材等多種表面具有較好的粘附性。PDMS彈性模量較小，可以使其與接觸面完全接觸，但其在承受切向載荷時會出現(xiàn)局部脫附現(xiàn)象，需要在材料中添加碳纖維織物，提供切向所需剛度，提高面內(nèi)拉伸性能，使粘附材料切向均勻受力。這種材料能大面積制備，有著較好的粘附性能與重復(fù)性。但是對于此類粘附材料的粘附性能的研究多數(shù)僅限于干燥潔凈的接觸表面，與壁虎爪的粘附性以及對表面的適應(yīng)性尚有很大差距。因此，新型的干濕兩用的粘附材料是粘附材料制備及其性能研究領(lǐng)域的重要課題。

生活中我們發(fā)現(xiàn)，戲劇演員們常用傳統(tǒng)的榆樹皮粘合劑固定頭套飾品，榆樹皮的粘液是常見的生物粘液，成本較低，容易制備，其優(yōu)異的粘附性能在民間有著諸多應(yīng)用，而且榆樹皮利水通淋、祛痰、消腫解毒的醫(yī)藥價值很高，但國內(nèi)外缺乏對此類材料的制備分析及深入研究。本發(fā)明通過科學(xué)方法提取高純度的榆樹皮粘液，然后制備PDMS-碳纖維復(fù)合新型粘附材料，最后將二者有機結(jié)合制成一種新型的干濕兩用的粘附材料，它的應(yīng)用前景就會更為廣泛，除了上述提到的用途，醫(yī)用也將是以后研究的重要方向。

本發(fā)明通過現(xiàn)代實驗儀器表征以及力學(xué)實驗測試，實驗結(jié)果表明，新型的粘附材料與傳統(tǒng)粘附材料相比，在干燥表面上的粘附性變化不大，但是在濕潤表面上的粘附力呈現(xiàn)出了絕對優(yōu)勢，因而證明了榆樹皮粘液在干濕兩用粘附材料的應(yīng)用上的可能性。是對現(xiàn)代粘附材料領(lǐng)域的一個補缺，為新型材料以及新型設(shè)備的生產(chǎn)提供了新的思路。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開了一種高性能粘附材料及其制備方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)的粘附材料在惡劣工作環(huán)境表面以及濕性環(huán)境接觸表面黏粘性較差，應(yīng)用范圍較窄，生產(chǎn)成本較大的技術(shù)問題，本發(fā)明公開的粘附材料具有干濕兩用并且黏粘性都較強的特點，并且取材方便，便于大規(guī)模生產(chǎn)推廣，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

本發(fā)明公開了一種高性能粘附材料，高性能粘附材料是由四層材料結(jié)構(gòu)組成，四層材料自下而上依次為底層PMDS層、碳纖維布層、頂層PDMS層和榆樹皮粘液層，底層PDMS層和頂層PDMS層為同一種材料并且均由液態(tài)硅橡膠和硅橡膠固化劑混合而成，榆樹皮粘液層使用的材料是榆樹皮粘液。其中榆樹皮的粘液是常見的生物粘液，成本較低，容易制備，其優(yōu)異的粘附性能在民間有著諸多應(yīng)用。

進一步的，為了更好的實現(xiàn)PMDS材料層的黏粘性能，液態(tài)硅橡膠和硅橡膠固化劑質(zhì)量比為10:1。

進一步的，本發(fā)明中的高性能粘附材料的制作方法，包括以下制備步驟：

1)榆樹皮處理，剪取一定量的榆樹皮，用蒸餾水將其表面沖洗干凈；然后將潔凈的榆樹皮放入盛有蒸餾水的燒杯中浸泡；榆樹皮與蒸餾水質(zhì)量比約為1:50，榆樹屬于喬本的一種，雙子葉植物中屬榆科，主要在北半球的溫帶地區(qū)生長。一般高約25米，樹皮外表粗糙，實驗中采用的榆樹皮為粗糙外圈的內(nèi)部剝離下來的相對光滑的樹干間層，為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域常見藥材，榆樹皮中含有較多的粘液。

2)榆樹皮粘液的提取，在步驟1)中浸泡有榆樹皮的燒杯中放入磁子，并將燒杯放在恒溫磁力攪拌器上進行加熱、攪拌，加熱完畢后，取出榆樹皮并將其放入盛有適量蒸餾水的離心管中，將離心管放入離心機內(nèi)進行離心處理，取上層粘液即得到純度較高的榆樹皮粘液；得到的榆樹皮粘液為黃棕色、透明、粘度較高的液體。

3)高性能粘附材料的制備，采用Dow Corning公司生產(chǎn)的液態(tài)硅橡膠和硅橡膠固化劑，將液態(tài)硅橡膠和硅橡膠固化劑按質(zhì)量比10:1倒入燒杯中進行攪拌混合得到PDMS原料，將攪拌均勻后的PDMS原料取一部分倒入玻璃培養(yǎng)皿中并通過旋涂機以400r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)5-6s，使PDMS原料均勻的旋涂在培養(yǎng)皿上，旋涂原料液厚度為0.3-0.5mm，即為底層PDMS層；然后在底層PDMS層上鋪設(shè)一層碳纖維布，即為碳纖維布層；然后再取出一部分PDMS原料倒在所述碳纖維布上，再次用旋涂機以400r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)5-6s進行第二次旋涂，即為頂層PDMS層；再將步驟2)所得到的榆樹皮粘液旋涂到所述頂層PDMS層的上表面，即為榆樹皮粘液層；旋涂完成后將玻璃培養(yǎng)皿進行保溫處理，室溫冷卻后即得到目標(biāo)高性能粘附材料。

進一步的，為了更好的提純榆樹皮粘液，步驟2)中燒杯放在恒溫磁力攪拌器上進行加熱的溫度為60-70℃，恒溫攪拌的時間為30-60min，所述離心管進行離心的速度為5000r/min，離心時間為30-60min。

進一步的，為了更好的將PDMS原料混合均勻，步驟3)PDMS原料是由液態(tài)硅橡膠和硅橡膠固化劑混合后通過磁力攪拌器以1000r/min的轉(zhuǎn)速，常溫下攪拌30min得到的。

進一步的，為了提高粘附材料的干化效率以及材料的黏粘性能，步驟3)中旋涂完成后的玻璃培養(yǎng)皿是放入60℃恒溫箱中進行保溫的，保溫時間為2-3h。

本發(fā)明公開的高性能粘附材料及其制備方法，通過以榆樹皮粘液為輔助材料的新型粘附材料在干燥表面粘附性能與傳統(tǒng)粘附材料相當(dāng)，而在濕潤表面的粘附性能相比于傳統(tǒng)材料而言有顯著提升，為干濕兩用的粘附材料的制備與分析提供了突破性的創(chuàng)新結(jié)果。

附圖說明

圖1為高性能粘附材料結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為粘附性能測試裝置示意圖；

圖3為高性能粘附材料的壓力-時間曲線圖；

圖4為高性能粘附材料在不同粘附表面的粘附力大小與預(yù)壓力大小比值柱狀圖。

具體實施方式

實施例1

實施例1公開了一種高性能粘附材料，如圖1所示，它是由四層材料結(jié)構(gòu)組成，四層材料自下而上依次為底層PMDS層4、碳纖維布層3、頂層PDMS層2和榆樹皮粘液層1，底層PDMS層4和頂層PDMS層2為同一種材料并且均由液態(tài)硅橡膠和硅橡膠固化劑混合而成，榆樹皮粘液層1使用的材料是榆樹皮粘液；其中，液態(tài)硅橡膠和硅橡膠固化劑質(zhì)量比為10:1。實施例1中的高性能粘附材料的制備方法，包括以下制備步驟：

1)榆樹皮處理，剪取一定量的榆樹皮，用蒸餾水將其表面沖洗干凈；然后將潔凈的榆樹皮放入盛有蒸餾水的燒杯中浸泡，榆樹皮與蒸餾水質(zhì)量比約為1:50；

2)榆樹皮粘液的提取，在步驟1)中浸泡有榆樹皮的燒杯中放入磁子，并將燒杯放在恒溫磁力攪拌器上進行加熱、攪拌，加熱完畢后，取出榆樹皮并將其放入盛有適量蒸餾水的離心管中，將離心管放入離心機內(nèi)進行離心處理，取上層粘液即得到純度較高的榆樹皮粘液；得到的榆樹皮粘液為黃棕色、透明、粘度較高的液體。

3)高性能粘附材料的制備，將液態(tài)硅橡膠和硅橡膠固化劑按質(zhì)量比10:1倒入燒杯中進行攪拌混合得到PDMS原料，采用Dow Corning公司生產(chǎn)的液態(tài)硅橡膠和硅橡膠固化劑將攪拌均勻后得到的PDMS原料取一部分倒入玻璃培養(yǎng)皿中并通過旋涂機以400r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)5s，使PDMS原料均勻的旋涂在培養(yǎng)皿上，旋涂原料液厚度為0.3mm，即為底層PDMS層；然后在底層PDMS層上鋪設(shè)一層碳纖維布，即為碳纖維布層；然后再取出一部分PDMS原料倒在所述碳纖維布上，再次用旋涂機以400r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)5s進行第二次旋涂，即為頂層PDMS層；再將步驟2)所得到的榆樹皮粘液旋涂到所述頂層PDMS層的上表面，即為榆樹皮粘液層；旋涂完成后將玻璃培養(yǎng)皿進行保溫處理，步驟2)中燒杯放在恒溫磁力攪拌器上進行加熱的溫度為60℃，恒溫攪拌的時間為30min，離心管進行離心的速度為5000r/min，離心時間為30min。步驟3)PDMS原料是由所述液態(tài)硅橡膠和硅橡膠固化劑混合后通過磁力攪拌器以1000r/min的轉(zhuǎn)速，常溫下攪拌30min得到的。步驟3)中旋涂完成后的玻璃培養(yǎng)皿是放入60℃恒溫箱中進行保溫的，保溫時間為2h，室溫冷卻后即得到目標(biāo)高性能粘附材料。

其中，粘附性能的測試是通過微機控制電子萬能試驗機(瑞格爾儀器，RGM-6005T)來進行，如圖2所示，測試表面22固定在垂直平動臺21的加載頭下表面，粘附材料24固定在下端基底上，基底為半球形自適應(yīng)臺23，使得測試表面22與粘附材料24表面自適應(yīng)重合。測試時，垂直平動臺21向下移動，當(dāng)壓力達到預(yù)先設(shè)定的壓力值時移動停止。保持預(yù)壓力一定后，垂直平動臺21向上移動，直到完全脫附為止，得到的壓力-時間曲線如圖3所示，其中壓力最高峰為設(shè)定的預(yù)壓力大小為圖3中31所示，平臺寬度為預(yù)壓力持續(xù)時間，即33所示，卸載線的斜率的絕對值為脫附速度大小，即32所示，反向峰值的絕對值為法向粘附力大小，即34所示，用此法向粘附力除以接觸面積，即可得到法向粘附強度。可以看出，預(yù)壓力持續(xù)時平臺稍微下滑，這是因為這種材料為粘彈性固體，有著一定的蠕變效應(yīng)，使得在垂直平動臺靜止保載時壓力有所減小。得到曲線后，法向粘附力大小與預(yù)壓力大小之比即為刻畫粘附性能的重要參數(shù)。實驗結(jié)果如圖4的柱狀圖所示，A欄表示的是在干燥表面上未旋涂有榆樹皮粘液的聚二甲基硅氧烷(PDMS)/碳纖維復(fù)合粘附材料41和本實施例中的高性能粘附材料42的粘附力大小與預(yù)壓力大小比值柱狀圖；B欄代表的是在潤濕表面上未旋涂有榆樹皮粘液的聚二甲基硅氧烷(PDMS)/碳纖維復(fù)合粘附材料41和本實施例中的高性能粘附材料42的粘附力大小與預(yù)壓力大小比值柱狀圖；實驗結(jié)果表明，新型的粘附材料與傳統(tǒng)粘附材料相比，在干燥表面上的粘附性能有稍微下滑，但是在濕潤表面上的粘附力呈現(xiàn)出了絕對優(yōu)勢，因而證明了榆樹皮粘液在干濕兩用粘附材料的應(yīng)用上的可能性。

實施例2

實施例2公開了一種高性能粘附材料，它是由四層材料結(jié)構(gòu)組成，四層材料自下而上依次為底層PMDS層4、碳纖維布層3、頂層PDMS層2和榆樹皮粘液層1，底層PDMS層4和頂層PDMS層2為同一種材料并且均由液態(tài)硅橡膠和硅橡膠固化劑混合而成，榆樹皮粘液層1使用的材料是榆樹皮粘液；其中，液態(tài)硅橡膠和硅橡膠固化劑質(zhì)量比為10:1。本實施例中的高性能粘附材料的制備方法，包括以下制備步驟：

1)榆樹皮處理，剪取一定量的榆樹皮，用蒸餾水將其表面沖洗干凈；然后將潔凈的榆樹皮放入盛有蒸餾水的燒杯中浸泡，榆樹皮與蒸餾水質(zhì)量比約為1:50；

2)榆樹皮粘液的提取，在步驟1)中浸泡有榆樹皮的燒杯中放入磁子，并將燒杯放在恒溫磁力攪拌器上進行加熱、攪拌，加熱完畢后，取出榆樹皮并將其放入盛有適量蒸餾水的離心管中，將離心管放入離心機內(nèi)進行離心處理，取上層粘液即得到純度較高的榆樹皮粘液；得到的榆樹皮粘液為黃棕色、透明、粘度較高的液體。

3)高性能粘附材料的制備，將液態(tài)硅橡膠和硅橡膠固化劑按質(zhì)量比10:1倒入燒杯中進行攪拌混合得到PDMS原料，采用Dow Corning公司生產(chǎn)的液態(tài)硅橡膠和硅橡膠固化劑將攪拌均勻后得到的PDMS原料取一部分倒入玻璃培養(yǎng)皿中并通過旋涂機以400r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)6s，使PDMS原料均勻的旋涂在培養(yǎng)皿上，旋涂原料液厚度為0.5mm，即為底層PDMS層；然后在底層PDMS層上鋪設(shè)一層碳纖維布，即為碳纖維布層；然后再取出一部分PDMS原料倒在所述碳纖維布上，再次用旋涂機以400r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)6s進行第二次旋涂，即為頂層PDMS層；再將步驟2)所得到的榆樹皮粘液旋涂到所述頂層PDMS層的上表面，即為榆樹皮粘液層；旋涂完成后將玻璃培養(yǎng)皿進行保溫處理，步驟2)中燒杯放在恒溫磁力攪拌器上進行加熱的溫度為65℃，恒溫攪拌的時間為40min，離心管進行離心的速度為5000r/min，離心時間為60min。步驟3)PDMS原料是由所述液態(tài)硅橡膠和硅橡膠固化劑混合后通過磁力攪拌器以1000r/min的轉(zhuǎn)速，常溫下攪拌30min得到的。步驟3)中旋涂完成后的玻璃培養(yǎng)皿是放入60℃恒溫箱中進行保溫的，保溫時間為3h，室溫冷卻后即得到目標(biāo)高性能粘附材料。

實施例3

實施例3公開了一種高性能粘附材料，它是由四層材料結(jié)構(gòu)組成，四層材料自下而上依次為底層PMDS層4、碳纖維布層3、頂層PDMS層2和榆樹皮粘液層1，底層PDMS層4和頂層PDMS層2為同一種材料并且均由液態(tài)硅橡膠和硅橡膠固化劑混合而成，榆樹皮粘液層1使用的材料是榆樹皮粘液；其中，液態(tài)硅橡膠和硅橡膠固化劑質(zhì)量比為10:1。本實施例中的高性能粘附材料的制備方法，包括以下制備步驟：

1)榆樹皮處理，剪取一定量的榆樹皮，用蒸餾水將其表面沖洗干凈；然后將潔凈的榆樹皮放入盛有蒸餾水的燒杯中浸泡，榆樹皮與蒸餾水質(zhì)量比約為1:50；

2)榆樹皮粘液的提取，在步驟1)中浸泡有榆樹皮的燒杯中放入磁子，并將燒杯放在恒溫磁力攪拌器上進行加熱、攪拌，加熱完畢后，取出榆樹皮并將其放入盛有適量蒸餾水的離心管中，將離心管放入離心機內(nèi)進行離心處理，取上層粘液即得到純度較高的榆樹皮粘液；得到的榆樹皮粘液為黃棕色、透明、粘度較高的液體。

3)高性能粘附材料的制備，將液態(tài)硅橡膠和硅橡膠固化劑按質(zhì)量比10:1倒入燒杯中進行攪拌混合得到PDMS原料，采用Dow Corning公司生產(chǎn)的液態(tài)硅橡膠和硅橡膠固化劑將攪拌均勻后得到的PDMS原料取一部分倒入玻璃培養(yǎng)皿中并通過旋涂機以400r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)5s，使PDMS原料均勻的旋涂在培養(yǎng)皿上，旋涂原料液厚度為0.5mm，即為底層PDMS層；然后在底層PDMS層上鋪設(shè)一層碳纖維布，即為碳纖維布層；然后再取出一部分PDMS原料倒在所述碳纖維布上，再次用旋涂機以400r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)6s進行第二次旋涂，即為頂層PDMS層；再將步驟2)所得到的榆樹皮粘液旋涂到所述頂層PDMS層的上表面，即為榆樹皮粘液層；旋涂完成后將玻璃培養(yǎng)皿進行保溫處理，步驟2)中燒杯放在恒溫磁力攪拌器上進行加熱的溫度為70℃，恒溫攪拌的時間為60min，離心管進行離心的速度為5000r/min，離心時間為40min。步驟3)PDMS原料是由所述液態(tài)硅橡膠和硅橡膠固化劑混合后通過磁力攪拌器以1000r/min的轉(zhuǎn)速，常溫下攪拌30min得到的。步驟3)中旋涂完成后的玻璃培養(yǎng)皿是放入60℃恒溫箱中進行保溫的，保溫時間為3h，室溫冷卻后即得到目標(biāo)高性能粘附材料。