一種玻璃表面濕性防打滑的仿生摩擦墊及其制備方法與流程

本發明涉及高分子材料及其制備，具體為一種玻璃表面濕性防打滑的仿生摩擦墊及其制備方法。

背景技術：

1、自然界中，不乏擁有卓越摩擦學特性的生物實例，樹蛙便是其中之一。作為濕潤環境中卓越的攀爬者，樹蛙的足部結構尤為獨特，展現出由六邊形納米柱構成的、帶有凹尖端的微觀形態，這種結構賦予了它們穩定且可重復利用的濕潤黏附能力。北京航空航天大學陳華偉教授課題研究發現在濕潤環境下，液體的自分裂效應使其在六邊形微柱上均勻分布，同時空腔邊緣產生自吸效應，形成納米級厚度的液膜，增加形成強毛細液橋的可能性，從而導致在沒有外壓力作用下仍能形成更強的邊界摩擦，隨后通過對界面液膜運動和棱柱變形的研究，進一步發現納米纖維棱柱在濕摩擦中存在特殊的界面應力轉移效應，該機制增強棱柱界面納米液膜的穩定性，證實仿生高強度濕摩擦表面在固體界面濕態防滑領域的實際應用潛力，也促使具有微納米尺度的棱柱陣列結構的摩擦材料在濕態防滑工程應用中獲取廣泛關注。

2、中國專利公開號cn114909386a公開了“一種仿生黏附摩擦微結構及仿生黏附摩擦表面，由微吸盤和微流道平面結構組成，微吸盤的吸附面設有吸附腔，吸附腔一側設有多個排列方向一致的微流道。該發明依靠流體在微流道內的黏滯特性實現在無能耗條件下維持黏附，能夠實現在水環境下產生高摩擦力、高黏附力的效果，并能夠實現快速脫附，展示微小通道的設計在濕潤環境下維持高摩擦力的優勢”；cn102900945a公開了“一種跨尺度仿樹蛙足墊的增摩橡膠板及其制備方法。通過二次硫化壓印制備出在厘米級凸起結構上具有毫米級凹坑結構的仿生黏附板，其中，毫米級凹坑結構是將二氧化硅顆粒布置在模板與一次硫化成型的樣品之間，二次硫化壓印而成。使用該方法制備出的仿生增摩板的摩擦力具有良好的增摩效果。但是該結構難以滿足適應濕潤條件下高摩擦力的需求，且二次成型一定程度上制約規模化發展”。

3、在潮濕或多雨的環境中，玻璃表面與普通材料接觸時，接觸表面的粗糙度可能會減小接觸面積，使微小水珠作為潤滑層使接觸狀態由固-固接觸轉化為固－液－接觸，降低接觸時的摩擦系數，導致攀爬機構、爬壁機器人、擦窗機器人等設備在玻璃材質上行走或進行玻璃清潔工作時極易發生打滑現象，無法穩定地吸附在玻璃表面上，安全隱患顯著增加的問題，故而提出一種玻璃表面濕性防打滑的仿生摩擦墊及其制備方法來解決上述所提出的問題。

技術實現思路

1、(一)解決的技術問題

2、針對現有技術的不足，本發明提供了一種玻璃表面濕性防打滑的仿生摩擦墊及其制備方法，解決了在濕潤環境下能夠表現出較高的切向摩擦力，且能夠反復使用，解決普通材料與玻璃的接觸面易產生滑移，穩定性較差的問題。

3、(二)技術方案

4、為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：一種玻璃表面濕性防打滑的仿生摩擦墊，受具有濕態增摩特性的生物：樹蛙、螽斯的腳趾墊的微納結構啟發，在高摩擦材料表面增加凸起陣列，這些微結構陣列可以在濕態環境下利用毛細作用將摩擦墊表面的水膜排出，增加固體之間有效接觸面積，從而保證摩擦墊和對摩面始終保持干摩擦狀態，保證穩定的摩擦力。摩擦墊包括連接層、支撐層、末端凸起直柱陣列，所述末端接觸層呈六邊形直柱狀。

5、優選的，所述六邊形微柱結構內切圓直徑為5微米-5000微米，柱體呈六方密排排布，柱體高度為10微米-1500微米，柱體末端為平面，每個柱體間隔為2微米-600微米，形成緊密的排水溝槽。

6、優選的，所述的支撐層、所述的末端凸起直柱陣列均由彈性材料制成，為天然橡膠、人工橡膠、聚氨酯、聚酰亞胺、聚烯烴、聚乳酸、聚己內酯、水凝膠、氣凝膠、油凝膠的任一種或幾種組合；所述的裝置連接層材質為橡膠、樹脂、金屬、陶瓷的任一種或幾種組合。

7、優選的，所述的末端凸起直柱陣列是與被作用物體直接接觸的部分。

8、優選的，所述的支撐層、所述的末端凸起直柱陣列一體化成型。

9、優選的，所述一種玻璃表面濕性防打滑的仿生摩擦墊的制備方法包括方法一、方法二以及方法三，所述方法一包括：步驟一、利用光刻技術將預設的六邊形微觀結構陣列圖案精確轉移到均勻旋涂于玻璃基底表面的光刻膠層上，再通過磁控濺射技術在材料表面初步沉積一層鎳鍍層，隨后將該樣品浸入電鍍溶液內，進一步實施電鍍鎳工藝，以構建出高精度的金屬模具；步驟二、將液態硅膠基本組分和固化劑按一定重量比例完全混合，并使用真空泵在減壓下脫氣。然后利用旋涂法將硅膠預聚體均勻涂覆在金屬模具表面，得到一層均勻地硅膠薄膜；步驟三、將涂覆有硅膠預聚體的連接層輕置于涂覆有硅膠預聚體的金屬模具表面，并對連接層施加大約0.2n/cm2的法向壓力，確保兩個表面完全貼合，增加連接層與支撐層之間的粘結力。抽真空后放入烘箱內固化，脫模后得到帶有末端凸起直柱陣列的仿生摩擦墊；

10、優選的，所述方法二包括：步驟一、將預設形狀的金屬模具安置于相應厚度與構型的金屬腔體中，并對其進行加熱處理；步驟二、在已預熱的金屬模具上均勻鋪設橡膠原料，隨后進行熱壓硫化過程，持續時間約為5分鐘，以形成具有微細結構的橡膠薄片；步驟三、利用粘合劑將上述制備的橡膠薄片均勻且牢固地黏附于連接層的表面；

11、優選的，所述方法三包括：步驟一、對連接層組件表面進行預處理，去除油污、灰塵等雜質，并將其預埋在模具型腔中；步驟二、將精密金屬模具放置在模具型腔底部，橡膠原料均勻鋪設在連接層組件與金屬模具之間；步驟三、通過加熱加壓使膠料固化，形成端面具有微細結構的包膠層，包膠層與連接層組件牢固結合。

12、(三)有益效果

13、與現有技術相比，本發明提供了一種玻璃表面濕性防打滑的仿生摩擦墊的制備方法，具備以下有益效果：

14、1、該一種玻璃表面濕性防打滑的仿生摩擦墊的制備方法，利用光刻技術轉移六邊形微觀結構至玻璃基底的光刻膠層，磁控濺射初鍍鎳層，再電鍍鎳以制成高精度金屬模具。所述的制備方法的方法一適應于粘度較低的高分子預聚體模塑成型，制備工藝對與模具磨損與塑性壓變幅度較小，有助于制造工藝的低成本推廣應用。第二種制備技術采用橡膠硫化壓印工藝，該方法加工成型速度快，制備的仿生摩擦墊具有更加優異的耐磨性能和耐老化特性，并且能夠在高低溫、輻照等復雜環境下穩定運行。第三種制備方法使用包膠工藝，能夠一次性完成多個組件的集成，縮短生產周期。包膠層與連接件緊密結合，省去了仿生摩擦墊與載具或連接件表面的粘接作業工序，大大提升了仿生摩擦墊與載具或連接件的聯結強度和穩定性，從而賦予仿生摩擦墊組件或器件在工程應用過程中的高聯結強度與高耐用性的雙重優勢，展現出廣泛的市場應用潛力。

15、2、該一種玻璃表面濕性防打滑的仿生摩擦墊的制備方法，受具有濕態增摩特性的生物：樹蛙、螽斯的腳趾墊的微納結構啟發，末端直柱形狀為六邊形結構，直柱之間具有微小間隙。在濕潤條件下，v字形微小間隙能夠利用毛細力形成一定厚度的液膜，即納凹坑自吸附效應。自吸附效應能夠將微小水珠排出接觸面之間，使得仿生摩擦墊與所作用的面能夠直接接觸，增加有效接觸面積，或形成強毛細液橋作用，從而保證摩擦墊和對摩面始終保持干摩擦狀態，降低仿生摩擦墊與所作用的面產生滑移的可能性。這使得材料展現出卓越的防滑與增摩性能。本發明所述的末端直柱呈六方密排，這種結構提供最長的排水溝槽、最大的橫向穩定性和各向同性，保證整個接觸區域在復雜環境下的穩定性。

16、3、該一種玻璃表面濕性防打滑的仿生摩擦墊的制備方法，提供的玻璃表面濕性防打滑的仿生摩擦墊顯著降低玻璃等低粗糙度表面在濕滑狀態下的滑動風險，能夠廣泛應用于攀爬機構、爬壁機器人、擦窗機器人、多維度清潔類機器人等設備領域，市場前景廣闊。