[发明专利]基于微纳增材制备仿生黏附材料的方法

说明书

本发明公开了一种基于微纳增材制备仿生黏附材料的方法，包括以下步骤：将增塑剂和有机溶剂混合，加入聚氯乙烯粉末，得到聚氯乙烯凝胶溶液；将微纳增材制造的微纳模具置于容器中，倒入聚氯乙烯凝胶溶液，抽真空去除聚氯乙烯凝胶溶液中的气泡；将容器放入在玻璃密封罐中，置于真空干燥箱中升温使有机溶剂挥发后取出，脱模获得微纳模具的聚氯乙烯凹模；将聚氯乙烯凹模置于容器中，倒入二次倒模材料，抽真空去除气泡；待二次倒模材料固化后，取出后分离聚氯乙烯凹模即获得仿生黏附材料。本发明通过两次倒模法所制备的仿生黏附材料具有较好的黏附性能、较高弹性模量、重复采用性，本发明公开了其制法，该方法适用于制备多种微纳结构的仿生黏附材料。

技术领域

本发明涉及一种基于微纳增材制备仿生黏附材料的方法，属于仿生黏附材料技术领域。

背景技术

作为自然界中具有卓越爬行能力的代表动物——壁虎，可以在垂直墙面和天花板上，甚至在光滑玻璃窗上自由的爬行，壁虎脚趾腹面密布的微纳米层级结构刚毛，以其末端纳米级匙突结构与表面紧密接触，产生微弱范德华力并汇聚成宏观黏附力，使壁虎黏附系统具有高强黏附、易脱附、可重复黏附等优异性能，引起诸多领域的科学家和工程技术人员的极大关注。国内外在仿壁虎粘附阵列的研制方面已经做了大量工作，并取得很大的进展。美国斯坦福大学Cutkosky等人从优化黏附支杆形貌出发，研制了末端尖锐的倾斜毫米级阵列。采用机加工微模具浇注法制备，浇注材料为聚氨酯(Innovative polymers,IE-20AHPolyurethane,E＝0.3MPa)，浇注试验得到的黏附阵列黏附强度约为0.24N/cm²，且具有明显的各向异性，能实现壁虎爬行过程中类似的滑粘现象，已初步应用在仿壁虎爬壁机器人上，取得了良好的效果(Santos D,Kim S,Spenko M, Parness A,Cutkosky M.Directionaladhesive structures for controlled climbing on smooth verticalsurfaces.2007IEEE International Conference on Robotics and Automation,Roma,Italy,10-14April 2007.)。德国Binder公司Jan通过辊压模具加工出支杆末端蘑菇状结构的仿壁虎干黏附结构，得到长100μm，直径35μm的微黏附阵列，最大的法向黏附强度可达6N/cm²(Tuma Jan,Gottlieb Binder GMBHCO. KG.Process for creating adhesionelements on a substrate material.European Patent,EP20040722156,WO 2005/087033A1.)。清华大学田煜采用超精密金刚石加工模具，制备获得了聚二甲基硅氧烷基倾斜状干黏附阵列，黏附强度可达1.05N/cm²(Tao D,Gao X,Lu H,Liu Z,Li Y,Tong H,Pesika N,Meng Y,and Tian Y.Controllable Anisotropic Dry Adhesion in Vacuum:Gecko Inspired Wedged Surface Fabricated with Ultraprecision DiamondCutting.Adv.Funct.Mater.2017,27,16065761-9.)。卡内基梅隆大学Metin Sitti等人和西安交通大学邵金友等人通过光刻模板制备获得了支杆末端为蘑菇头结构的仿生干黏附材料(Wang Y,Hu H,Shao J Y,Ding Y C. Fabrication of Well-Defined Mushroom-Shaped Structures for Biomimetic Dry Adhesive by ConventionalPhotolithography and Molding.ACS Applied Materials Interfaces,2014,6,2213-2218.，Cheung E,Sitti M.Adhesion of Biologically Inspired Polymer Microfiberson Soft Surfaces.Langmuir 2009,25(12),6613– 6616.)。中科院合肥智能机械研究所的梅涛课题组利用ICP深刻蚀方法制备模板，浇注聚二甲基硅氧烷，固化后脱模得到多种长径比的微黏附阵列，其中长5μm，直径2μm 的阵列所测得的法向黏附强度最大，可达1.94N/cm²(陈士荣,梅涛,倪林,等.仿壁虎微纳米黏附阵列的工艺制备.MEMS器件与技术,2006,9,434-437.)。美国Dayton 大学Dai LM等人采用低压化学气相沉积法制备出强黏附-易脱附的垂直定向排列碳纳米管阵列，切向黏附强度接近100N/cm²，是壁虎脚掌刚毛黏附强度的10倍(Qu L,Dai L,Stone M,Xia Z,Wang Z.Carbon nanotube arrays with strong shearbinding-on and easy normal lifting-off.Science,2008,322,238-242.，Li Y,Xu G,Zhang H,Li T,Yao Y,Li Q,Dai Z.Alcohol-assisted rapid growth of verticallyaligned carbon nanotube arrays.Carbon,2015,91,45-55.)。