[发明专利]仿生壁虎胶带的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种仿壁虎脚刚毛的制备方法。

背景技术

几个世纪以来许多动物优异的生理功能吸引了各界科学家的广泛关注。例如，蚊子可以轻松粘附在人体皮肤上叮咬；生活在粘湿土壤环境中的蜣螂具有优良的抗粘附功能；跳蛛和壁虎脚底刚毛的粘附作用使其能在墙壁和天花板，甚至光滑的玻璃上来去自由。上述动物的共同特点是都具有刚毛（seta）结构，刚毛群构筑（architecture）的不同导致其功能的多样化。其中壁虎脚上功夫尤为神奇，无论是空气环境还是在水里以及真空环境中，它脚上的粘着力都不会失效。爬壁机器人在民用、军事、航天上具有广泛的用途, 因而越来越受到人们的重视。在民用领域，爬壁机器人被用来清洗大厦外壁墙面和玻璃、检测舰船船体、检测核密封罐等；在军事反恐领域，爬壁机器人可用来进行侦察窃听、研制蛙人等；在航天领域，爬壁机器人可用来进行舱外维修等。这种干性粘附优于其他吸附原理，对环境和壁面具有普适性，是爬行机器人理想的吸附方式。因此，制备一种具有良好吸附能力的人造仿生壁虎脚是爬行机器人的关键技术。

一只大壁虎可以产生大于20 N的总黏附力，平均每227 mm²的脚掌面积有力承受43 g动物的体重。产生这种神奇力量的原因是壁虎具有分等级的刚毛群结构，虎脚掌覆盖着成千上万密度约为5300 / mm²的刚毛，每根刚毛长度为30-300μm长。每个刚毛是由几百个大小为0.2-0.5μm的分支组成。

虽然全世界的壁虎有1000多种，由于生存环境差异每种壁虎在体重身长等方面不同，但基本吸、脱附机理是一致的。科学家们一直对壁虎脚掌的粘着机理进行研究。2000年，路易斯-克拉克学院的Autumn 测量了单根壁虎脚掌刚毛的粘着力，证明了刚毛与物体表面接触的粘着力是通过分子间的范德华作用力实现的。排除了其他诸如毛细管湿性粘力理论（wetadhesion）、微连锁理论（Micro-interlocking）、静电吸引（Electrostatics）等理论。由于范德华力没有方向性和饱和性，尽管它的绝对值很小，只要数量足够多就能产生足以支持壁虎全身重量的力。

2005年确认了壁虎胶粘剂应具备的几个重要的功能属性：(1)黏附力具有各向异性，壁虎脚掌在吸附和脱附时，刚毛的拉伸方向和刚毛末端的压舌板的的几何形状不同。(2)小预加载下粘附力强。(3)能够快速、轻松地脱附，壁虎可以在15ms内进行快速吸附和脱附。(4)对各种材料的粘附作用具有普适性，由于范德华力是一种分子间作用力具有普适性，壁虎粘附可以粘附于任何材料表面。(5)具有自清洁能力和不发生自身粘附；壁虎胶的分等级结构本身具有超疏水性，且β-角蛋白。(6)默认状态下是无粘性。(7)滑动时也能够维持高水平的粘附。目前制备仿壁虎脚微阵列常用的材料包括机硅胶、聚氨酯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯等，这些材料多是不导电的。

目前制备仿壁虎脚微阵列的制备方法有光刻法、感应耦合等离子体刻蚀(ICP) 法、电子束和氧等离子体干刻蚀法、AFM刻蚀法、氧化铝模板法等。虽然上述方法均可用于制备壁虎胶带，但这些制备方法设备昂贵，成本高，实验环境比较苛刻，难以实现工业化生产。因此既简单又经济的制备方法，可有效解决微突起易倒塌或粘连等技术难题，是今后该领域的研究重点。

发明内容

本发明的目的是提供一种仿生壁虎胶带的制备方法，采用溶液化学结合浸渍法制备ZnO/PANI和ZnO/C/PANI复合微阵列。溶液化学法制备微阵列是一种简单、方便、成本低（无需使用大型仪器）、参数可控的方法，该方法在金属Ni片金属上直接生长制备的仿壁虎脚微阵列无需去除模板，解决了现有方法成本高、操作复杂、脱模困难的问题，有望实现工业化生产。

本发明的仿壁虎结构粘合剂的制备方法，步骤如下：

技术方案一：ZnO/PANI复合微阵列的制备

第1步、采用溶液化学法制备ZnO微阵列

将金属片（例如Ni片、Ti片）悬在50-1000mL由0.02-0.5M Zn（NO₃)₂、0.5-3M NH₃·H₂O和水配制的混合水溶液里面，在50-100℃下反应10-30h；然后取出溶液中金属片进行反复水冲洗，干燥，可得到ZnO一维纳米阵列。

第2步、制备ZnO/ PANI复合微阵列