一种高性能粘附材料及其制备方法与流程

本发明涉及仿生材料领域，尤其涉及的是一种高性能粘附材料及其制备方法。

背景技术：

《蜘蛛侠》是一部充满着无穷想象力的电影，彼得·帕克原本是一个平凡的高中生，但当他被一只具有放射线的蜘蛛咬到后，他就拥有了各种超能力：可以在墙壁和天花板上行走，其出色的动作场景，很容易让观众从空间和时间上去进行身临其境的体验。毫无意外，从喜欢上这个已经走过半个多世纪之久的经典漫画人物开始，他是如何“飞檐走壁”的就引起了我的关注。自然界中壁虎的“游墙功”比“蜘蛛侠”更胜一筹。即使在光溜溜的玻璃墙上，它们照样可以漫步或者静静地等着飞虫路过。而壁虎这一神功的练就主要归功于它的脚！壁虎的每个脚趾下面都有一排排“衬垫”，每个“衬垫”上有成千上万的刚毛，每根刚毛的顶端又分散几百个毛茸茸的“小刷子”。这些“小刷子”形成了非常大的吸附力，使得壁虎每走一步，就像把脚像贴纸一样从墙上撕下来，然后黏到别处，而且不会留下任何残留物。如果能制作出和壁虎爪一样的仿生原理粘附材料，贴在机器人手、脚上可以满足外层空间探测、地震搜救、反恐袭击、市容服务等领域广泛而迫切的需求。许多课题组致力于制备粘附性能优异且可控的干性粘结剂，制备这种粘附材料的出发点大多数是对壁虎爪的微纳米刚毛结构仿生，利用高分子材料或碳纳米管制备纳米线阵列。这种纳米材料的特点是材料本身无粘性，粘附性能可以通过纳米线形貌阵列几何尺寸等因素控制，因而在爬壁机器人、工业运输、生物贴片和太空取物等领域都有较多的应用。然而，这种材料的缺点在于其难以实现大面积制备和大规模生产，以及纳米线容易倒伏导致粘附材料失效。

近年来出现的聚二甲基硅氧烷(PDMS)/碳纤维复合粘附材料是一种新型的功能型仿壁虎爪粘附材料，其与硅及其氧化物表面、金属表面、木材等多种表面具有较好的粘附性。PDMS弹性模量较小，可以使其与接触面完全接触，但其在承受切向载荷时会出现局部脱附现象，需要在材料中添加碳纤维织物，提供切向所需刚度，提高面内拉伸性能，使粘附材料切向均匀受力。这种材料能大面积制备，有着较好的粘附性能与重复性。但是对于此类粘附材料的粘附性能的研究多数仅限于干燥洁净的接触表面，与壁虎爪的粘附性以及对表面的适应性尚有很大差距。因此，新型的干湿两用的粘附材料是粘附材料制备及其性能研究领域的重要课题。

生活中我们发现，戏剧演员们常用传统的榆树皮粘合剂固定头套饰品，榆树皮的粘液是常见的生物粘液，成本较低，容易制备，其优异的粘附性能在民间有着诸多应用，而且榆树皮利水通淋、祛痰、消肿解毒的医药价值很高，但国内外缺乏对此类材料的制备分析及深入研究。本发明通过科学方法提取高纯度的榆树皮粘液，然后制备PDMS-碳纤维复合新型粘附材料，最后将二者有机结合制成一种新型的干湿两用的粘附材料，它的应用前景就会更为广泛，除了上述提到的用途，医用也将是以后研究的重要方向。

本发明通过现代实验仪器表征以及力学实验测试，实验结果表明，新型的粘附材料与传统粘附材料相比，在干燥表面上的粘附性变化不大，但是在湿润表面上的粘附力呈现出了绝对优势，因而证明了榆树皮粘液在干湿两用粘附材料的应用上的可能性。是对现代粘附材料领域的一个补缺，为新型材料以及新型设备的生产提供了新的思路。

技术实现要素：

本发明公开了一种高性能粘附材料及其制备方法，以克服现有技术的粘附材料在恶劣工作环境表面以及湿性环境接触表面黏粘性较差，应用范围较窄，生产成本较大的技术问题，本发明公开的粘附材料具有干湿两用并且黏粘性都较强的特点，并且取材方便，便于大规模生产推广，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明公开了一种高性能粘附材料，高性能粘附材料是由四层材料结构组成，四层材料自下而上依次为底层PMDS层、碳纤维布层、顶层PDMS层和榆树皮粘液层，底层PDMS层和顶层PDMS层为同一种材料并且均由液态硅橡胶和硅橡胶固化剂混合而成，榆树皮粘液层使用的材料是榆树皮粘液。其中榆树皮的粘液是常见的生物粘液，成本较低，容易制备，其优异的粘附性能在民间有着诸多应用。

进一步的，为了更好的实现PMDS材料层的黏粘性能，液态硅橡胶和硅橡胶固化剂质量比为10:1。

进一步的，本发明中的高性能粘附材料的制作方法，包括以下制备步骤：

1)榆树皮处理，剪取一定量的榆树皮，用蒸馏水将其表面冲洗干净；然后将洁净的榆树皮放入盛有蒸馏水的烧杯中浸泡；榆树皮与蒸馏水质量比约为1:50，榆树属于乔本的一种，双子叶植物中属榆科，主要在北半球的温带地区生长。一般高约25米，树皮外表粗糙，实验中采用的榆树皮为粗糙外圈的内部剥离下来的相对光滑的树干间层，为医学领域常见药材，榆树皮中含有较多的粘液。

2)榆树皮粘液的提取，在步骤1)中浸泡有榆树皮的烧杯中放入磁子，并将烧杯放在恒温磁力搅拌器上进行加热、搅拌，加热完毕后，取出榆树皮并将其放入盛有适量蒸馏水的离心管中，将离心管放入离心机内进行离心处理，取上层粘液即得到纯度较高的榆树皮粘液；得到的榆树皮粘液为黄棕色、透明、粘度较高的液体。

3)高性能粘附材料的制备，采用Dow Corning公司生产的液态硅橡胶和硅橡胶固化剂，将液态硅橡胶和硅橡胶固化剂按质量比10:1倒入烧杯中进行搅拌混合得到PDMS原料，将搅拌均匀后的PDMS原料取一部分倒入玻璃培养皿中并通过旋涂机以400r/min的转速旋转5-6s，使PDMS原料均匀的旋涂在培养皿上，旋涂原料液厚度为0.3-0.5mm，即为底层PDMS层；然后在底层PDMS层上铺设一层碳纤维布，即为碳纤维布层；然后再取出一部分PDMS原料倒在所述碳纤维布上，再次用旋涂机以400r/min的转速旋转5-6s进行第二次旋涂，即为顶层PDMS层；再将步骤2)所得到的榆树皮粘液旋涂到所述顶层PDMS层的上表面，即为榆树皮粘液层；旋涂完成后将玻璃培养皿进行保温处理，室温冷却后即得到目标高性能粘附材料。

进一步的，为了更好的提纯榆树皮粘液，步骤2)中烧杯放在恒温磁力搅拌器上进行加热的温度为60-70℃，恒温搅拌的时间为30-60min，所述离心管进行离心的速度为5000r/min，离心时间为30-60min。

进一步的，为了更好的将PDMS原料混合均匀，步骤3)PDMS原料是由液态硅橡胶和硅橡胶固化剂混合后通过磁力搅拌器以1000r/min的转速，常温下搅拌30min得到的。

进一步的，为了提高粘附材料的干化效率以及材料的黏粘性能，步骤3)中旋涂完成后的玻璃培养皿是放入60℃恒温箱中进行保温的，保温时间为2-3h。

本发明公开的高性能粘附材料及其制备方法，通过以榆树皮粘液为辅助材料的新型粘附材料在干燥表面粘附性能与传统粘附材料相当，而在湿润表面的粘附性能相比于传统材料而言有显著提升，为干湿两用的粘附材料的制备与分析提供了突破性的创新结果。

附图说明

图1为高性能粘附材料结构示意图；

图2为粘附性能测试装置示意图；

图3为高性能粘附材料的压力-时间曲线图；

图4为高性能粘附材料在不同粘附表面的粘附力大小与预压力大小比值柱状图。

具体实施方式

实施例1

实施例1公开了一种高性能粘附材料，如图1所示，它是由四层材料结构组成，四层材料自下而上依次为底层PMDS层4、碳纤维布层3、顶层PDMS层2和榆树皮粘液层1，底层PDMS层4和顶层PDMS层2为同一种材料并且均由液态硅橡胶和硅橡胶固化剂混合而成，榆树皮粘液层1使用的材料是榆树皮粘液；其中，液态硅橡胶和硅橡胶固化剂质量比为10:1。实施例1中的高性能粘附材料的制备方法，包括以下制备步骤：

1)榆树皮处理，剪取一定量的榆树皮，用蒸馏水将其表面冲洗干净；然后将洁净的榆树皮放入盛有蒸馏水的烧杯中浸泡，榆树皮与蒸馏水质量比约为1:50；

2)榆树皮粘液的提取，在步骤1)中浸泡有榆树皮的烧杯中放入磁子，并将烧杯放在恒温磁力搅拌器上进行加热、搅拌，加热完毕后，取出榆树皮并将其放入盛有适量蒸馏水的离心管中，将离心管放入离心机内进行离心处理，取上层粘液即得到纯度较高的榆树皮粘液；得到的榆树皮粘液为黄棕色、透明、粘度较高的液体。

3)高性能粘附材料的制备，将液态硅橡胶和硅橡胶固化剂按质量比10:1倒入烧杯中进行搅拌混合得到PDMS原料，采用Dow Corning公司生产的液态硅橡胶和硅橡胶固化剂将搅拌均匀后得到的PDMS原料取一部分倒入玻璃培养皿中并通过旋涂机以400r/min的转速旋转5s，使PDMS原料均匀的旋涂在培养皿上，旋涂原料液厚度为0.3mm，即为底层PDMS层；然后在底层PDMS层上铺设一层碳纤维布，即为碳纤维布层；然后再取出一部分PDMS原料倒在所述碳纤维布上，再次用旋涂机以400r/min的转速旋转5s进行第二次旋涂，即为顶层PDMS层；再将步骤2)所得到的榆树皮粘液旋涂到所述顶层PDMS层的上表面，即为榆树皮粘液层；旋涂完成后将玻璃培养皿进行保温处理，步骤2)中烧杯放在恒温磁力搅拌器上进行加热的温度为60℃，恒温搅拌的时间为30min，离心管进行离心的速度为5000r/min，离心时间为30min。步骤3)PDMS原料是由所述液态硅橡胶和硅橡胶固化剂混合后通过磁力搅拌器以1000r/min的转速，常温下搅拌30min得到的。步骤3)中旋涂完成后的玻璃培养皿是放入60℃恒温箱中进行保温的，保温时间为2h，室温冷却后即得到目标高性能粘附材料。

其中，粘附性能的测试是通过微机控制电子万能试验机(瑞格尔仪器，RGM-6005T)来进行，如图2所示，测试表面22固定在垂直平动台21的加载头下表面，粘附材料24固定在下端基底上，基底为半球形自适应台23，使得测试表面22与粘附材料24表面自适应重合。测试时，垂直平动台21向下移动，当压力达到预先设定的压力值时移动停止。保持预压力一定后，垂直平动台21向上移动，直到完全脱附为止，得到的压力-时间曲线如图3所示，其中压力最高峰为设定的预压力大小为图3中31所示，平台宽度为预压力持续时间，即33所示，卸载线的斜率的绝对值为脱附速度大小，即32所示，反向峰值的绝对值为法向粘附力大小，即34所示，用此法向粘附力除以接触面积，即可得到法向粘附强度。可以看出，预压力持续时平台稍微下滑，这是因为这种材料为粘弹性固体，有着一定的蠕变效应，使得在垂直平动台静止保载时压力有所减小。得到曲线后，法向粘附力大小与预压力大小之比即为刻画粘附性能的重要参数。实验结果如图4的柱状图所示，A栏表示的是在干燥表面上未旋涂有榆树皮粘液的聚二甲基硅氧烷(PDMS)/碳纤维复合粘附材料41和本实施例中的高性能粘附材料42的粘附力大小与预压力大小比值柱状图；B栏代表的是在润湿表面上未旋涂有榆树皮粘液的聚二甲基硅氧烷(PDMS)/碳纤维复合粘附材料41和本实施例中的高性能粘附材料42的粘附力大小与预压力大小比值柱状图；实验结果表明，新型的粘附材料与传统粘附材料相比，在干燥表面上的粘附性能有稍微下滑，但是在湿润表面上的粘附力呈现出了绝对优势，因而证明了榆树皮粘液在干湿两用粘附材料的应用上的可能性。

实施例2

实施例2公开了一种高性能粘附材料，它是由四层材料结构组成，四层材料自下而上依次为底层PMDS层4、碳纤维布层3、顶层PDMS层2和榆树皮粘液层1，底层PDMS层4和顶层PDMS层2为同一种材料并且均由液态硅橡胶和硅橡胶固化剂混合而成，榆树皮粘液层1使用的材料是榆树皮粘液；其中，液态硅橡胶和硅橡胶固化剂质量比为10:1。本实施例中的高性能粘附材料的制备方法，包括以下制备步骤：

1)榆树皮处理，剪取一定量的榆树皮，用蒸馏水将其表面冲洗干净；然后将洁净的榆树皮放入盛有蒸馏水的烧杯中浸泡，榆树皮与蒸馏水质量比约为1:50；

2)榆树皮粘液的提取，在步骤1)中浸泡有榆树皮的烧杯中放入磁子，并将烧杯放在恒温磁力搅拌器上进行加热、搅拌，加热完毕后，取出榆树皮并将其放入盛有适量蒸馏水的离心管中，将离心管放入离心机内进行离心处理，取上层粘液即得到纯度较高的榆树皮粘液；得到的榆树皮粘液为黄棕色、透明、粘度较高的液体。

3)高性能粘附材料的制备，将液态硅橡胶和硅橡胶固化剂按质量比10:1倒入烧杯中进行搅拌混合得到PDMS原料，采用Dow Corning公司生产的液态硅橡胶和硅橡胶固化剂将搅拌均匀后得到的PDMS原料取一部分倒入玻璃培养皿中并通过旋涂机以400r/min的转速旋转6s，使PDMS原料均匀的旋涂在培养皿上，旋涂原料液厚度为0.5mm，即为底层PDMS层；然后在底层PDMS层上铺设一层碳纤维布，即为碳纤维布层；然后再取出一部分PDMS原料倒在所述碳纤维布上，再次用旋涂机以400r/min的转速旋转6s进行第二次旋涂，即为顶层PDMS层；再将步骤2)所得到的榆树皮粘液旋涂到所述顶层PDMS层的上表面，即为榆树皮粘液层；旋涂完成后将玻璃培养皿进行保温处理，步骤2)中烧杯放在恒温磁力搅拌器上进行加热的温度为65℃，恒温搅拌的时间为40min，离心管进行离心的速度为5000r/min，离心时间为60min。步骤3)PDMS原料是由所述液态硅橡胶和硅橡胶固化剂混合后通过磁力搅拌器以1000r/min的转速，常温下搅拌30min得到的。步骤3)中旋涂完成后的玻璃培养皿是放入60℃恒温箱中进行保温的，保温时间为3h，室温冷却后即得到目标高性能粘附材料。

实施例3

实施例3公开了一种高性能粘附材料，它是由四层材料结构组成，四层材料自下而上依次为底层PMDS层4、碳纤维布层3、顶层PDMS层2和榆树皮粘液层1，底层PDMS层4和顶层PDMS层2为同一种材料并且均由液态硅橡胶和硅橡胶固化剂混合而成，榆树皮粘液层1使用的材料是榆树皮粘液；其中，液态硅橡胶和硅橡胶固化剂质量比为10:1。本实施例中的高性能粘附材料的制备方法，包括以下制备步骤：

1)榆树皮处理，剪取一定量的榆树皮，用蒸馏水将其表面冲洗干净；然后将洁净的榆树皮放入盛有蒸馏水的烧杯中浸泡，榆树皮与蒸馏水质量比约为1:50；

2)榆树皮粘液的提取，在步骤1)中浸泡有榆树皮的烧杯中放入磁子，并将烧杯放在恒温磁力搅拌器上进行加热、搅拌，加热完毕后，取出榆树皮并将其放入盛有适量蒸馏水的离心管中，将离心管放入离心机内进行离心处理，取上层粘液即得到纯度较高的榆树皮粘液；得到的榆树皮粘液为黄棕色、透明、粘度较高的液体。

3)高性能粘附材料的制备，将液态硅橡胶和硅橡胶固化剂按质量比10:1倒入烧杯中进行搅拌混合得到PDMS原料，采用Dow Corning公司生产的液态硅橡胶和硅橡胶固化剂将搅拌均匀后得到的PDMS原料取一部分倒入玻璃培养皿中并通过旋涂机以400r/min的转速旋转5s，使PDMS原料均匀的旋涂在培养皿上，旋涂原料液厚度为0.5mm，即为底层PDMS层；然后在底层PDMS层上铺设一层碳纤维布，即为碳纤维布层；然后再取出一部分PDMS原料倒在所述碳纤维布上，再次用旋涂机以400r/min的转速旋转6s进行第二次旋涂，即为顶层PDMS层；再将步骤2)所得到的榆树皮粘液旋涂到所述顶层PDMS层的上表面，即为榆树皮粘液层；旋涂完成后将玻璃培养皿进行保温处理，步骤2)中烧杯放在恒温磁力搅拌器上进行加热的温度为70℃，恒温搅拌的时间为60min，离心管进行离心的速度为5000r/min，离心时间为40min。步骤3)PDMS原料是由所述液态硅橡胶和硅橡胶固化剂混合后通过磁力搅拌器以1000r/min的转速，常温下搅拌30min得到的。步骤3)中旋涂完成后的玻璃培养皿是放入60℃恒温箱中进行保温的，保温时间为3h，室温冷却后即得到目标高性能粘附材料。