基于壁虎刚毛自清洁机理的仿生表面制备

20240927

制造业

基于壁虎刚毛自清洁机理的仿生表面制备

北京市昌平区人民政府

壁虎依靠精细的纤维结构，被称为“最佳攀爬动物”，它具有广阔的活动空间，可适应多种气候。本项目试图研究温度和光照对壁虎粘合性能的影响，并分析不同颗粒的自清洁能力。具体情况如下，（1）在疏水性较弱的基材表面上，在一定的负载压力，接触时间和分离速度下，壁虎的粘合纤维结构表现出温度响应。在-10℃至40℃的温度范围内，壁虎单个的鬃毛/铁锹状的触手在较低的温度下表现出较高的正常附着力（就相交界面而言）;单个壁虎刷毛显示较高的切向摩擦。假定该温度响应源自氢键。壁虎刚毛的主要化学成分是β-角蛋白。利用FTIR，发现其二级结构，即β-层间的氢键随温度降低而增加。 （2）模拟壁虎附着系统的纤维状结构，并通过光刻和刻蚀技术制备模具，然后通过注塑成型获得PDMS仿生壁虎微阵列表面。该微阵列由大量呈正方形排列的圆柱形纤维组成。圆柱体的直径约为8μm，高度约为10μm，柱间距为13μm。纤维的理论面密度约为5.92×105个/ cm2。对于直径约为5μm的SiO2和PS微球，在氮环境下，单根纤维柱在0℃至40℃中较低温度下表现出较高的法向粘附力。 SiO2微球的附着力增加更为明显，这间接支持了前面提到的假设。在某种程度上，温度可用于调节仿生表面的自清洁能力。直径约6μm的SiO2微球被用作污渍并附着在仿生表面上。当暴露于温度为30℃的空气中时，微球脱落的比例显着高于20℃下的系统。 （3）我们已经使用PDMS-CDs复合材料系统演示了一种新型的具有生物启发性的可光剥离的胶粘剂，该胶粘剂具有很高的自清洁能力。将CDs掺杂到PDMS微柱中可以显着改善受生物启发的表面的粘合性能。在365 nm紫外线下，与初始粘合力相比，6 wt％PDMS-CDs样品的粘合力平均降低了80.46％。样品温度随暴露时间的延长而升高，这主要归因于CDs的光热效应。温度升高导致粘附力降低。紫外线照射和温度升高均有助于提高自清洁能力，其中紫外线照射表现更好，最高分离效率为54.83％。光分离的原理归因于紫外线辐射直接破坏氢键，并伴随着温度升高而降低了相关的自由表面能。总体而言，与现有的粘合转换方法不同，本文提出的PDMS-CDs生物启发表面具有基于紫外线照射的非接触粘合力可控性，这也可以确保较高的自清洁效率。 （4）我们展示了一种制备具有强附着力和高机械强度的人工干燥自清洁表面的新策略。所制备的人造材料可以去除高达59％的PS颗粒和46％的Al2O3颗粒，具有高抗冲击性和持久的使用寿命。包括湿度，温度，颗粒大小和表面润湿性在内的因素已被视为影响接触自清洁性能的重要参数。根据环境温度的影响，我们筛选了具有不同特性的微粒，优化的筛选率高达90％。与现有的干式自动清洁系统相比，我们的系统在较大的温度变化下具有良好的自动清洁性能。