[發(fā)明專利]基于零維納米材料的仿生黏附墊用材料

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010173135.3
• 申請(qǐng)日: 2020-03-13
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111303631B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-12-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 薛龍建;劉權(quán);孟凡棟;汪鑫;譚迪;史哲坤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號(hào): C08L83/04
• 分類號(hào): C08L83/04;C08K9/04;C08K3/08;C08K7/18;C08K3/16;C08K7/24;B82Y30/00
• 代理公司: 武漢科皓知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 俞琳娟

本發(fā)明提供一種基于零維納米材料的仿生黏附墊用材料，其特征在于：零維納米結(jié)構(gòu)單元鑲嵌在設(shè)有支持層的柱體結(jié)構(gòu)中，其中，柱體結(jié)構(gòu)成陣列排列在支持層上，零維納米結(jié)構(gòu)單元從柱體結(jié)構(gòu)的底端到頂端密度逐漸增加，零維納米結(jié)構(gòu)單元為零維納米材料或零維納米材料被刻蝕后形成的零維納米孔狀結(jié)構(gòu)，零維納米材料與柱體結(jié)構(gòu)存在特殊相互作用。本發(fā)明中，呈梯度分布的納米結(jié)構(gòu)單元的存在，有助于增大柱體結(jié)構(gòu)與表面的接觸，并且減小脫黏時(shí)的應(yīng)力集中，進(jìn)而提高材料黏附力和摩擦力，同時(shí)也增加了強(qiáng)度和耐磨損性能，經(jīng)過(guò)多次重復(fù)測(cè)試試驗(yàn)后，黏附力基本保持不變，在膠黏劑、生物醫(yī)學(xué)以及攀爬機(jī)器人等方面有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于仿生材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于零維納米材料的仿生黏附墊用材料。

背景技術(shù)

納米材料指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1～100納米)或由他們作為基本單元構(gòu)成的材料。納米材料具有很多其他普通尺度材料所不具有的效應(yīng)，如如體積效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸、量子隧道等，吸引了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注和研究。近年來(lái)將納米材料應(yīng)用到仿生黏附領(lǐng)域成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)。

自然界中，許多生物有優(yōu)異的黏附能力，比如壁虎能夠在垂直的墻壁上甚至是倒掛在天花板上爬行。受此啟發(fā)，壁虎的攀爬粘附能力的研究和模仿近年來(lái)一直是研究的熱點(diǎn)。研究表明，壁虎的粘附能力主要來(lái)自于分子間作用力-范德華力。微結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，壁虎的腳底部長(zhǎng)著成千上萬(wàn)根剛毛，長(zhǎng)度約為30～130微米，直徑約為5～10微米；每根剛毛上又分枝出400～1000根長(zhǎng)度為2～3微米直徑為200～300納米的次級(jí)剛毛，這些次級(jí)剛毛具有抹刀狀末端，能夠與接觸面產(chǎn)生緊密接觸并產(chǎn)生足夠大的范德華力，完成腳掌的快速粘附與脫附。許多生物為了提高黏附力，它們的腳掌剛毛通常具有梯度模量結(jié)構(gòu)。如，七星瓢蟲(chóng)腳掌的剛毛在縱向上具有梯度的楊氏模量，從剛毛末端到根部，楊氏模量從10兆帕到10⁴兆帕數(shù)量級(jí)的增加。壁虎腳掌的剛毛的模量也從根部到末端呈梯度減少。在平滑墊生物如樹(shù)蛙中，其腳掌的微結(jié)構(gòu)的最外層是硬的角質(zhì)層，模量為5-15MPa，在角質(zhì)層結(jié)構(gòu)下是柔軟的毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從最外層往深部呈模量逐漸減小。

因此將納米材料應(yīng)用到仿生黏附材料中，設(shè)計(jì)出一種仿生梯度模量柱狀陣列結(jié)構(gòu)黏附墊，能夠提高黏附力和摩擦力，能夠更好地應(yīng)用在黏附領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于零維納米材料的仿生黏附墊用材料，能夠有效增強(qiáng)黏附和摩擦性能。

本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)上述目的，采用了以下方案：

本發(fā)明提供一種基于零維納米材料的仿生黏附墊用材料，其特征在于：零維納米結(jié)構(gòu)單元鑲嵌在設(shè)有支持層的柱體結(jié)構(gòu)中，其中，柱體結(jié)構(gòu)成陣列排列在支持層上，零維納米結(jié)構(gòu)單元從柱體結(jié)構(gòu)的底端到頂端密度逐漸增加，零維納米結(jié)構(gòu)單元為零維納米材料或零維納米材料被刻蝕后形成的零維納米孔狀結(jié)構(gòu)，零維納米材料與柱體結(jié)構(gòu)存在特殊相互作用。

優(yōu)選地，本發(fā)明所涉及的基于零維納米材料的仿生黏附墊用材料還可以具有這樣的特征：零維納米材料的形狀可以為球形、橢球形、餅狀、規(guī)則多面體形、不規(guī)則多面體形中的任一種或幾種組合。

優(yōu)選地，本發(fā)明所涉及的基于零維納米材料的仿生黏附墊用材料還可以具有這樣的特征：形成柱體結(jié)構(gòu)的基體材料可以為橡膠、聚氨酯、聚酰亞胺、聚烯烴、聚乳酸、聚己內(nèi)酯、水凝膠、氣凝膠、油凝膠中的任一種或幾種組合；零維納米材料的材質(zhì)可以為碳、塑料、橡膠、纖維素、金屬、陶瓷中的任一種或幾種組合，并且模量比基體材料的模量高。

優(yōu)選地，本發(fā)明所涉及的基于零維納米材料的仿生黏附墊用材料還可以具有這樣的特征：零維納米材料可以為一種物質(zhì)、兩種或多種物質(zhì)組成的核殼結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，本發(fā)明所涉及的基于零維納米材料的仿生黏附墊用材料還可以具有這樣的特征：零維納米材料的分布可以局限在柱體結(jié)構(gòu)的基體內(nèi)，也可以進(jìn)一步分布至支持層中。