仿生壁虎復(fù)合微陣列的制備方法
【專利摘要】仿生壁虎復(fù)合微陣列的制備方法，涉及一種仿壁虎腳剛毛的制備方法。本發(fā)明的仿壁虎結(jié)構(gòu)復(fù)合微陣列的制備方法步驟如下：（1）采用陽極氧化法制備TiO2納米管微陣列；（2）將上述制備的TiO2納米管微陣列將上述制備的TiO2納米管微陣列浸漬在聚二甲基硅氧烷（PDMS）的三氯甲烷溶液中，取出后經(jīng)固化得到TiO2/PDMS復(fù)合微陣列。本發(fā)明的仿壁虎腳剛毛的制備方法操作簡單，實驗參數(shù)可控，成本低，可用于制造一種彈性硅橡膠包覆的TiO2納米管仿壁虎腳微陣列，其仿壁虎腳納米陣列的面積為1-8cm2，剛毛直徑為20nm-4μm，高度為0.5-5μm。
【專利說明】仿生壁虎復(fù)合微陣列的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及仿生壁虎復(fù)合微陣列的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]幾個世紀(jì)以來許多動物優(yōu)異的生理功能吸引了各界科學(xué)家的廣泛關(guān)注。例如，蚊子可以輕松粘附在人體皮膚上叮咬；生活在粘濕土壤環(huán)境中的蜣螂具有優(yōu)良的抗粘附功能；跳蛛和壁虎腳底剛毛的粘附作用使其能在墻壁和天花板，甚至光滑的玻璃上來去自由。上述動物的共同特點是都具有剛毛(seta)結(jié)構(gòu)，剛毛群構(gòu)筑(architecture)的不同導(dǎo)致其功能的多樣化。其中壁虎腳上功夫尤為神奇，無論是空氣環(huán)境還是在水里以及真空環(huán)境中，它腳上的粘著力都不會失效。爬壁機器人在民用、軍事、航天上具有廣泛的用途，因而越來越受到人們的重視。在民用領(lǐng)域，爬壁機器人被用來清洗大廈外壁墻面和玻璃、檢測艦船船體、檢測核密封罐等；在軍事反恐領(lǐng)域，爬壁機器人可用來進行偵察竊聽、研制蛙人等；在航天領(lǐng)域，爬壁機器人可用來進行艙外維修等。這種干性粘附優(yōu)于其他吸附原理，對環(huán)境和壁面具有普適性，是爬行機器人理想的吸附方式。因此，制備一種具有良好吸附能力的人造仿生壁虎腳是爬行機器人的關(guān)鍵技術(shù)。
[0003]一只大壁虎可以產(chǎn)生大于20 N的總黏附力，平均每227 mm2的腳掌面積有力承受43 g動物的體重。產(chǎn)生這種神奇力量的原因是壁虎具有分等級的剛毛群結(jié)構(gòu)，虎腳掌覆蓋著成千上萬密度約為5300 / mm2的剛毛，每根剛毛長度為30-300 μ m長。每個剛毛是由幾百個大小為0.2-0.5 μ m的分支組成。
[0004]雖然全世界的壁虎有1000多種，由于生存環(huán)境差異每種壁虎在體重身長等方面不同，但基本吸、脫附機理是一致的?？茖W(xué)家們一直對壁虎腳掌的粘著機理進行研究。2000年，路易斯-克拉克學(xué)院的Autumn測量了單根壁虎腳掌剛毛的粘著力，證明了剛毛與物體表面接觸的粘著力是通過分子間的范德華作用力實現(xiàn)的。排除了其他諸如毛細(xì)管濕性粘力理論(wetadhesion)、微連鎖理論(Micro-1nterlocking)、靜電吸引(Electrostatics)等理論。由于范德華力沒有方向性和飽和性，盡管它的絕對值很小，只要數(shù)量足夠多就能產(chǎn)生足以支持壁虎全身重量的力。
[0005]2005年確認(rèn)了壁虎膠粘劑應(yīng)具備的幾個重要的功能屬性:(1)黏附力具有各向異性，壁虎腳掌在吸附和脫附時，剛毛的拉伸方向和剛毛末端的壓舌板的的幾何形狀不同。
(2)小預(yù)加載下粘附力強。⑶能夠快速、輕松地脫附，壁虎可以在15ms內(nèi)進行快速吸附和脫附。(4)對各種材料的粘附作用具有普適性，由于范德華力是一種分子間作用力具有普適性，壁虎粘附可以粘附于任何材料表面。(5)具有自清潔能力和不發(fā)生自身粘附；壁虎膠的分等級結(jié)構(gòu)本身具有超疏水性，且β_角蛋白。(6)默認(rèn)狀態(tài)下是無粘性。(7)滑動時也能夠維持高水平的粘附。
[0006]目前制備仿壁虎腳微陣列的制備方法有光刻法、感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(ICP)法、電子束和氧等離子體干刻蝕法、AFM刻蝕法、氧化鋁模板法等。雖然上述方法均可用于制備壁虎膠帶，但這些制備方法設(shè)備昂貴，成本高，實驗環(huán)境比較苛刻，難以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。因此既簡單又經(jīng)濟的制備方法，可有效解決微突起易倒塌或粘連等技術(shù)難題，是今后該領(lǐng)域的研究重點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種仿生壁虎復(fù)合微陣列的制備方法，采用陽極氧化法結(jié)合浸潰法制備TiO2納米管/ PDMS復(fù)合微陣列。陽極氧化法制備微陣列是一種簡單、方便、成本低、參數(shù)可控的方法，該方法在金屬Ti片上直接原位氧化制備的仿壁虎腳微陣列無需去除模板，解決了現(xiàn)有方法成本高、操作復(fù)雜、脫模困難的問題，有望實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
[0008]本發(fā)明的仿生壁虎復(fù)合微陣列的制備方法，步驟如下:
第I步、采用陽極氧化法制備TiO2納米管微陣列:
以0.l-5wt%的HF溶液作為電解液，Ti片作為陽極，鉬片作為陰極，在電解槽中進行陽極氧化，控制兩極間距離為2-5cm,電壓為10-60V,氧化時間為2 min _25h;取出氧化后Ti進行反復(fù)水沖洗，干燥，得到一維TiO2納米管陣列；
第2步、浸潰法制備TiO2納米管/ PDMS復(fù)合微陣列
將上述TiO2納米管陣列浸潰在0.01-10% (w/w)聚二甲基硅氧烷(PDMS)的三氯甲烷溶液中，經(jīng)過0.2-2h后取出，在溫度為25-100°C下固化0.5_24h，得到TiO2納米管/ PDMS復(fù)合微陣列。
[0009]本發(fā)明的仿壁虎腳剛毛的制備方法操作簡單，實驗參數(shù)可控，成本低，可用于制造一種仿壁虎腳微陣列，該陣列結(jié)構(gòu)具有很強的吸附力又能輕易脫離吸附表面、且具有超疏水性、自清潔能力。
[0010]目前制備的仿壁虎膠微陣列的直徑為0.02-150 μ m,高度為0.02-100 μ m。本發(fā)明采用溶液化學(xué)結(jié)合浸潰法制備的TiO2納米管/ PDMS復(fù)合微陣列。其仿壁虎腳納米陣列的面積為1-8cm2,剛毛直徑為20nm-4 μ m ,高度為0.5-5 μ m。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為TiO2納米管/ PDMS復(fù)合微陣列制備示意圖；
圖2為TiO2納米管/ PDMS復(fù)合微陣列示意圖；
圖3為高縱橫比TiO2納米管/ PDMS復(fù)合微陣列示意圖；
圖4為單根剛毛結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。
[0013]【具體實施方式】一:如圖1所示，本實施方式按照如下步驟制備TiO2納米管/ PDMS復(fù)合微陣列:
第I步、采用陽極氧化法制備TiO2納米管微陣列；
將Ti片(l-8cm2)進行物理拋光，化學(xué)拋光(30%HF和25%HN03水溶液)，無水乙醇和蒸餾水進行反復(fù)超聲清洗，并在室溫下吹干備用。配好0.1_5被％的冊水溶液，將干燥好的金屬片作為陽極，鉬片作為陰極，兩極間距離為2-5cm，在有機玻璃電解槽中進行陽極氧化，試驗在室溫(20°C)下進行。電壓范圍為10-60V，氧化時間為2 min -25h。取出氧化后Ti進行反復(fù)水沖洗，干燥，可得到一維TiO2納米管陣列。
[0014]第2步、浸潰法制備TiO2納米管/ PDMS復(fù)合微陣列
將上述TiO2納米管陣列浸潰在0.01-10% (w/w)聚二甲基硅氧烷(PDMS)的三氯甲烷溶液中，經(jīng)過0.2-2h后取出，在溫度為25-100°C下固化0.5_24h。
[0015]【具體實施方式】二:本實施方式按照如下步驟制備仿壁虎腳微陣列:
第I步、采用陽極氧化法制備TiO2納米管微陣列；
將Ti片(4cm2)進行物理拋光，化學(xué)拋光(30%HF和25%HN03水溶液)，無水乙醇和蒸餾水進行反復(fù)超聲清洗，并在室溫下烘干備用，配好0.5wt%的HF水溶液。將干燥好的金屬片作為陽極，鉬片作為陰極，兩極間距離為2cm，在有機玻璃電解槽中進行陽極氧化，試驗在室溫(20°C)下進行。電壓為18V，氧化時間為5min。取出氧化后Ti進行反復(fù)水沖洗，干燥，可得到一維TiO2納米管陣列。
[0016]第2步、浸潰法制備TiO2納米管/ PDMS復(fù)合微陣列
將上述TiO2納米管微陣列浸潰在0.2% (w/w)聚二甲基硅氧烷(PDMS)的三氯甲烷溶液中，經(jīng)0.5h后取出，在溫度為80°C下固化0.5h，得到TiO2納米管/ PDMS復(fù)合微陣列。
[0017]本實施方式制備的仿壁虎腳納米陣列的小片面積為4cm2，陣列形貌致密，單根剛毛內(nèi)部為TiO2管狀結(jié)構(gòu)，外部PDMS薄層包覆，其直徑為lOOnm，剛毛長度為500nm，該微陣列是單級剛毛結(jié)構(gòu)(圖2和4)。
[0018]【具體實施方式】三:本實施方式按照如下步驟制備仿壁虎腳微陣列:
第I步、采用陽極氧化法制備TiO2納米管微陣列；
將Ti片(4cm2)進行物理拋光，化學(xué)拋光(30%HF和25%HN03水溶液)，無水乙醇和蒸餾水進行反復(fù)超聲清洗，并在室溫下烘干備用，配好0.5wt% NH4F的甘油溶液。將干燥好的金屬片作為陽極，鉬片作為陰極，兩極間距離為4cm，在有機玻璃電解槽中進行陽極氧化，試驗在室溫(20°C)下進行。電壓為60V，氧化時間為20h。取出氧化后Ti進行反復(fù)水沖洗，干燥，可得到一維TiO2納米管陣列。
[0019]第2步、浸潰法制備TiO2納米管/ PDMS復(fù)合微陣列
將上述TiO2納米管微陣列浸潰在0.2% (w/w)聚二甲基硅氧烷(PDMS)的三氯甲烷溶液中，經(jīng)0.5h后取出，在溫度為80°C下固化0.5h，得到TiO2納米管/ PDMS復(fù)合微陣列。
[0020]本實施方式制備的仿壁虎腳納米陣列的小片面積為4cm2，陣列形貌致密，單根剛毛內(nèi)部為TiO2管狀結(jié)構(gòu)，外部PDMS薄層包覆，其直徑為200nm，剛毛直徑為1.2 μ m，該微陣列是單級剛毛結(jié)構(gòu)(圖3-4)。
[0021]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一?三不同的是，所述二甲基硅氧烷(PDMS)的濃度為6%，浸潰時間為lh，固化溫度為45°C，固化時間為8h。
[0022]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】四不同的是，所述二甲基硅氧烷(PDMS)的濃度為1%，浸潰時間為2h，固化溫度為60°C，固化時間20h。
【權(quán)利要求】
1.仿生壁虎復(fù)合微陣列的制備方法，其特征在于所述方法采用陽極氧化法結(jié)合浸潰法制備具有壁虎腳微觀特征的TiO2納米管/ PDMS復(fù)合微陣列，具體這步驟如下: 第I步、采用陽極氧化法制備TiO2納米管微陣列: 以0.l-5wt%的HF溶液作為電解液，Ti片作為陽極，鉬片作為陰極，在電解槽中進行陽極氧化，控制兩極間距離為2-5cm,電壓為10-60V,氧化時間為2 min _25h;取出氧化后Ti進行反復(fù)水沖洗，干燥，得到一維TiO2納米管陣列； 第2步、浸潰法制備TiO2納米管/ PDMS復(fù)合微陣列 將上述TiO2納米管陣列浸潰在0.01-10% (w/w)聚二甲基硅氧烷的三氯甲烷溶液中，經(jīng)過0.2-2h后取出，在溫度為25-100°C下固化0.5_24h，得到TiO2納米管/ PDMS復(fù)合微陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生壁虎復(fù)合微陣列的制備方法，其特征在于所述Ti片的面積為 1-8cm2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的仿生壁虎復(fù)合微陣列的制備方法，其特征在于所述Ti片使用前依次進行物理拋光、化學(xué)拋光、清洗、吹干處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生壁虎復(fù)合微陣列的制備方法，其特征在于所述兩極間距離為2cm,電壓為18V,氧化時間為5min。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生壁虎復(fù)合微陣列的制備方法，其特征在于所述兩極間距離為4cm,電壓為60V,氧化時間為20h。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生壁虎復(fù)合微陣列的制備方法，其特征在于所述聚二甲基硅氧烷的濃度為0.2%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生壁虎復(fù)合微陣列的制備方法，其特征在于所述聚二甲基硅氧烷的濃度為1%。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生壁虎復(fù)合微陣列的制備方法，其特征在于所述聚二甲基硅氧烷的濃度為6%。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生壁虎復(fù)合微陣列的制備方法，其特征在于所述TiO2納米管/ PDMS復(fù)合微陣列的面積為l_8cm2，剛毛直徑為20nm_4 μ m，高度為0.5-5 μ m。
【文檔編號】B81C1/00GK103552981SQ201310592837
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月22日
【發(fā)明者】劉宇艷, 張恩爽, 謝志民, 呂通, 譚惠豐 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)