聚氨酯基仿壁虎刚毛干性黏附微阵列的制备及其黏附控制研究

【摘要】自从2000年Autumn等人揭示了壁虎“飞檐走壁”的神奇能力是源于其脚掌刚毛与接触表面之间的范德华力进行“累加”的结果,就掀起了一场模拟制备壁虎脚掌材料的热潮。目前,国内外关于仿壁虎刚毛阵列的制备在向更加简单、经济的方向发展,而结构也越加地精细。同时,大家除了研究刚毛的结构形貌对黏附力的影响以外,也渐渐的开始考虑材料物性、基底材料等因素对黏附力的影响,因而,更全面的研究影响粘附力的因素,制备能够面向实际应用的仿壁虎刚毛阵列成为仿生研究人员的工作重点。此外,目前制备出的仿壁虎刚毛阵列大多只是单一地去模仿壁虎刚毛的几何结构,没有体现出壁虎刚毛黏附过程中的可控性。因此,在仿壁虎刚毛阵列的制备过程中,引入控制技术,制备具有致动性能的阵列结构材料,进而探究仿壁虎刚毛阵列的黏附过程的主动控制问题也是仿壁虎刚毛阵列研究的趋势之一。本文在此前提下,以聚氨酯基仿壁虎脚掌刚毛干性黏附阵列的制备为出发点,主要开展了以下几个方面的工作：(1)合成了浇注型聚氨酯弹性体,并以此为基底材料,制备了具有不同长径比和不同末端形貌的聚氨酯基仿壁虎刚毛干性黏附微阵列结构。SEM分析和DMA测试发现,该聚氨酯基微米柱阵列结构形貌规整,力学性能优异。基于浇注和黏附性能的综合考虑,我们选择宏观块体弹性模量为9.2Mpa的聚氨酯材料用作仿壁虎干性黏附阵列结构的基底材料,此时PTMG与MDI的比例为1.8：1。同时,对具有不同末端形貌的黏附阵列结构的超疏水性能进行了探究,结果发现微米柱的末端形状对于其超疏水性能具有很大的影响,尖端凸起的末端形貌具有相对最优秀的疏水性能。(2)构筑了聚氨酯/碳纳米管阵列的复合结构材料。首先利用化学气相沉积法制备了垂直生长的碳纳米管阵列,并研究了不同生长温度对碳纳米管的影响。然后利用前面合成的聚氨酯乳液通过旋涂、浸润的方法将硅基底上碳纳米管阵列转移到柔性的聚氨酯基体材料上,得到了具有柔性基底的的碳纳米管阵列结构,有助于增强碳纳米管基仿壁虎刚毛阵列的可重复性。(3)为了探索干性粘附材料的主动控制,以预聚体法制备的聚氨酯为基础,引入Fe3O4磁性纳米粒子对其进行掺杂,制备了形貌均匀的Fe3O4/聚氨酯磁性仿壁虎微阵列结构,并通过磁驱动替代预加载荷实现了对仿壁虎黏附材料黏附过程的主动控制,为基底材料与致动材料的结合提供了新的思路。
【作者】吴荣；
【导师】赵爱武；
【作者基本信息】中国科学技术大学，高分子化学与物理，2014，硕士
【关键词】仿壁虎刚毛干性黏附；聚氨酯；碳纳米管；磁性纳米粒子；黏附控制；

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