一种适用于水下粘附的碳纳米管干胶及其制备方法与应用技术

本发明专利技术属于碳纳米管干胶相关技术领域，其公开了一种适用于水下粘附的碳纳米管干胶及其制备方法与应用，所述方法包括以下步骤：加热聚多巴胺溶液以使聚多巴胺溶液蒸发，进而使得聚多巴胺包覆在碳纳米管阵列的表面，由此得到改性的碳纳米管干胶。本发明专利技术利用特定结构参数的碳纳米管阵列，结合多巴胺改性方法，提升了碳纳米管干胶在水下的粘附强度，能够直接在水下环境进行粘附。同时，多巴胺也具有在不同基底上稳定地粘附性能，二者协同作用，最终使得多巴胺改性碳纳米管干胶在水下的也能保持较高的粘附强度，其粘附强度可以达到34N/cm2，具有较好的耐久性。具有较好的耐久性。具有较好的耐久性。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于水下粘附的碳纳米管干胶及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于碳纳米管干胶相关
，更具体地，涉及一种适用于水下粘附的碳纳米管干胶及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]粘附材料是现代生活与科技的重要组成部分，可以可靠地将两个不同的物体彼此连接。但是在水下环境中，由于水分子会进入粘附界面形成水化膜，降低了粘附材料与基底之间的接触面积；或者，水分子会对某些胶粘剂分子产生溶胀、水化和降解等作用。这导致基于化学交联、机械互锁、范德华力的粘附材料在水下环境中的作用非常有限，有的甚至会出现粘附失效的现象。同时，目前市面上大部分水下胶粘剂都基于环氧树脂体系，虽然这类胶粘剂水下粘附性能好，但其水下作业固化时间久、操作复杂且不可逆。因此，面对海洋环境极端和不可预测的复杂条件，实现简单、可精确控制的水下粘附已成为工程领域待解决的关键性难题之一。
[0003]碳纳米管阵列具有超高长径比(＞104)和优异的力学性能，是理想的仿壁虎粘附材料之一，在粘附领域具有独特的优势。目前，其被报道的最高粘附强度可以达到143N/cm2，且仅通过施加一定的预压力即可实现有效的粘附。另一方面，面对海洋环境的不可预测性，碳纳米管在极端环境下(极高或极低温度、真空环境等)，具有优异的结构和机械稳定性，应用前景极佳。然而，由于在水下环境中，水分子会进入碳纳米管阵列中，不仅会在粘附表面上形成一层水化膜，还会导致部分碳纳米管阵列的倒塌，从而降低了碳纳米管在水中的粘附性能。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种适用于水下粘附的碳纳米管干胶及其制备方法与应用，所述方法利用特定结构参数的碳纳米管阵列，结合多巴胺改性方法，提升了碳纳米管干胶在水下的粘附强度，能够直接在水下环境进行粘附，且本专利技术解决了碳纳米管干胶在水下粘附强度低的技术问题。
[0005]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种适用于水下粘附的碳纳米管干胶的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0006]加热聚多巴胺溶液以使聚多巴胺溶液蒸发，进而使得聚多巴胺包覆在碳纳米管阵列的表面，由此得到改性的碳纳米管干胶。
[0007]进一步地，所述碳纳米管阵列的高度为50μm～850μm，密度为20mg/cm3～60mg/cm3。
[0008]进一步地，所述碳纳米管阵列的高度为300μm～400μm，密度为25mg/cm3～45mg/cm3。
[0009]进一步地，所述聚多巴胺溶液的制备包括以下步骤：将盐酸多巴胺溶液加入盐酸缓冲液，使得多巴胺在得到的碱性溶液中氧化自聚以得到聚多巴胺溶液。
[0010]进一步地，氧化自聚的时间为1h～2h；所述盐酸多巴胺溶液与盐酸缓冲液组成的
溶液中还加入了双氧水。
[0011]进一步地，所述盐酸多巴胺溶液的浓度为0.1mg/m～0.5mg/mL；所述盐酸缓冲液的pH范围为8～9。
[0012]进一步地，所述碳纳米管阵列的制备包括以下步骤：首先，在硅片基底上依次制备缓冲层和铁催化剂薄膜；接着，将所述硅片基底放置在通有氩气和氨气的管式炉内，升温至700℃～1000℃并保持，同时通入携水氩气和乙烯以制备得到碳纳米管阵列。
[0013]进一步地，在所述碳纳米管阵列被聚多巴胺包覆之前还包括自所述碳纳米管阵列去除所述硅片基底的步骤；改性时，将碳纳米管阵列置于热台上，并在所述碳纳米管阵列的周围均匀放置载玻片；接着，在载玻片上滴加聚多巴胺溶液，并用玻璃皿罩住所述碳纳米管阵列及所述载玻片，在密封条件下，经过预定时间的蒸发使得聚多巴胺包覆在碳纳米管的表面。
[0014]按照本专利技术的另一个方面，提供了一种适用于水下粘附的碳纳米管干胶，所述碳纳米管干胶采用如上所述的适用于水下粘附的碳纳米管干胶的制备方法制备而成。
[0015]本专利技术还提供了一种如上所述的适用于水下粘附的碳纳米管干胶的应用，所述碳纳米管干胶作为粘接剂直接在水下进行粘附。
[0016]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的适用于水下粘附的碳纳米管干胶及其制备方法与应用主要具有以下有益效果：
[0017]1.本专利技术通过多巴胺对碳纳米管进行改性，多巴胺改性之后碳纳米管浸入水中与目标粘附基底接触时，多巴胺会排出碳纳米管与目标粘附基底的之间的水分，保证了碳纳米管与目标粘附基底之间的接触面积，故而防止范德华力的失效；进一步地，在预压力作用下碳纳米管阵列能够与目标粘附基底保持更多的线接触，增大了接触面积，即增大了粘附强度。同时，多巴胺也具有在不同基底上稳定地粘附性能，二者协同作用，最终使得多巴胺改性碳纳米管干胶在水下也能保持较高的粘附强度，其粘附强度可以达到34N/cm2，相较于未改性的碳纳米管干胶的粘附强度(10N/cm2)具有3倍的提升效果，其粘附具有较好的耐久性，解决了目前传统工艺制备的碳纳米管干胶在水下环境中粘附强度大幅度降低的问题，对于在水下环境中使用的可逆粘附材料的探索具有重要的意义。
[0018]2.本专利技术对碳纳米管材料的尺寸参数包括高度和密度参数进行了研究与设计，在该尺寸参数下，可保证多巴胺有效地对碳纳米管干胶进行改性，进一步保证了多巴胺改性碳纳米管干胶在水下环境中的粘附力。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在水下环境中更容易倒塌，而高度过低的碳纳米管阵列没有足够的高度与基底形成充分的线接触，因此最优高度范围为300～400μm的碳纳米管阵列经过多巴胺改性后的性能提升效果是显著的，增大了接触面积，提升了其水下粘附强度；碳纳米管阵列的最优密度范围为25～45mg/cm3，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，会降低多巴胺的排水效率，而密度过低的碳纳米管阵列，天然接触面积过低，因此密度为25～45mg/cm3的碳纳米管阵列最为合适，制备得到到多巴胺改性碳纳米管干胶在水下不锈钢基底上的粘附强度可以达到34N/cm2。
[0019]3.本专利技术中的改性方法技术参数可调控，并且成本低、效率高，操作简便，能够更加有效地通过多巴胺改性提升碳纳米管阵列的水下粘附性能，使得碳纳米管阵列具有直接
在水下环境中作用的能力。
[0020]4.本专利技术得到的多巴胺改性碳纳米管阵列可以直接在水下环境中使用，仅仅通过施加预压力即可获得稳定有效地粘附，相较于环氧树脂等需要固化的粘附材料，水下作业时间短，且更加便捷；同时可将其应用在水下机器人领域，协助水下机器人在航行过程中暂时锚定在海底任意崎岖地形，同时可减少悬停定位时的能量消耗，延长其续航时间。
[0021]5.所述盐酸多巴胺溶液与盐酸缓冲液组成的溶液中还加入了双氧水，如此可以有效缩短氧化自聚的时间，提高聚多巴胺溶液的制备效率。
附图说明
[0022]图1是本专利技术提供的适用于水下粘附的碳纳米管干胶的制备方法的流程示意图；
[0023]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于水下粘附的碳纳米管干胶的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：加热聚多巴胺溶液以使聚多巴胺溶液蒸发，进而使得聚多巴胺包覆在碳纳米管阵列的表面，由此得到改性的碳纳米管干胶。2.如权利要求1所述的适用于水下粘附的碳纳米管干胶的制备方法，其特征在于：所述碳纳米管阵列的高度为50μm～850μm，密度为20mg/cm3～60mg/cm3。3.如权利要求2所述的适用于水下粘附的碳纳米管干胶的制备方法，其特征在于：所述碳纳米管阵列的高度为300μm～400μm，密度为25mg/cm3～45mg/cm3。4.如权利要求1所述的适用于水下粘附的碳纳米管干胶的制备方法，其特征在于：所述聚多巴胺溶液的制备包括以下步骤：将盐酸多巴胺溶液加入盐酸缓冲液，使得多巴胺在得到的碱性溶液中氧化自聚以得到聚多巴胺溶液。5.如权利要求4所述的适用于水下粘附的碳纳米管干胶的制备方法，其特征在于：氧化自聚的时间为1h～2h；所述盐酸多巴胺溶液与盐酸缓冲液组成的溶液中还加入了双氧水。6.如权利要求4所述的适用于水下粘附的碳纳米管干胶的制备方法，其特征在于：所述盐酸多巴胺溶液的浓度为0.1mg/m～0.5mg/mL；所述盐酸缓冲液的pH范围...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐鸣，吴思佳，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：