CN102219050A - 一种水上微小机器人用疏水钢丝腿部及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水上微小机器人用疏水钢丝腿部及其制备方法，属于机械零件制备领域。该水上微小机器人用疏水钢丝腿部为一种表面有粗糙微结构的钢丝，所述微结构表面附着有氟硅烷单分子层。而且，本发明从仿生角度，基于水黾腿部疏水原理，该水上微小机器人用疏水钢丝腿部制备方法，通过在钢丝表面制备粗糙微结构并用疏水液修饰其表面，获得良好疏水性能，同时也减轻了腿部的重量。实验结果表明：水在纯钢丝表面的静态接触角约为93°左右，而使用本发明方法制备的钢丝表面的静态接触角可达到140°以上，大大增加了钢丝的疏水性能。用本发明处理过的钢丝做水上机器人的腿部可增大其疏水性，提高其支撑力，对水上机器人的应用将产生一定的推动作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种水上微小机器人用疏水钢丝腿部及其制备方法，属于机械零件制备领域。
背景技术
目前，国际上已经开始研制仿水黾的水上微小机器人，它在侦察勘测、水质监控、液面清污等领域具有十分重要的应用前景。
生物水黾利用疏水腿部在水面上自由地穿梭飞行。水黾仅用单腿就能在水面上支撑起其身体15倍的重量，其腿能够排开300倍于身体体积的水量而不刺破水面，产生极大的表面张力。水黾腿部的刚毛表面具有粗糙微结构，使吸附在粗糙微结构中的气泡形成气垫。研究表明，水黾腿部粗糙微结构是其具有超疏水性的关键。
水上微小机器人的支撑力主要来自水的表面张力。腿部材料的亲水或疏水性能对于能获得多大表面张力非常关键。在相同结构与尺寸的情况下，腿部材料与水的接触角越大，能够获得的最大表面张力也越大。但水上微小机器人的腿部还应具有一定的强度和刚度，因为其直接决定了机器人自重大小和负载能力。所以采用何种材料和工艺来制作既满足强度和刚度要求，又具有超疏水表面性能的微小机器人腿部，是一个值得研究的重要问题。
卡耐基-梅隆大学Sitti教授带领的小组在2004年9月制作成功了名为“Water Walker”的水上微小机器人，该机器人用涂有防水塑料的钢丝构成腿部(Steve H.Suhr，Yun Seong Song，Sang Jun Lee，Metin Sitti.Biologically inspired miniature water strider robot[C].Proceedings of the Robotics：Science and Systems I.Cambridge，MA，USA：2005.)。清华大学吴立成，丁樑，郭栋，等人在申请号200610112601.7的专利“水上漂浮仿生水黾机器人”公开了一种名为“Water Dancer”的水上微小机器人，它有6-8条腿，由直径为0.2mm的钢丝制成，钢丝表面用疏水物质修饰。
上面两个例子都是用钢丝来制作仿水黾水上微小机器人腿部，其强度和刚度满足要求，而且钢丝价格低廉，通用性好。但是其表面没有粗糙微结构，疏水性能仅仅靠疏水物质修饰钢丝表面获得，并不是真正模仿水黾腿部的原理。
发明内容
本发明从仿生角度，基于水黾腿部疏水原理，提出一种水上微小机器人用疏水钢丝腿部及其制备方法，在钢丝表面制备粗糙微结构并用疏水液修饰其表面，获得良好疏水性能，同时也减轻了腿部的重量。
本方法的技术方案是：一种水上微小机器人用疏水钢丝腿部，为一种表面有粗糙微结构的钢丝，所述微结构表面附着有氟硅烷单分子层。
一种水上微小机器人用疏水钢丝腿部的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：在钢丝表面腐蚀出粗糙微结构，包括如下子步骤：
子步骤1，将钢丝依次经过室温5-10分钟的丙酮震荡清洗，室温5-10分钟的无水乙醇震荡清洗，然后用去离子水清洗，以去除附着在上面的油污和其他杂质；
子步骤2，将钢丝放入浓度为0.5-2mol/L的H2SO4溶液中，室温反应3-8分钟；
子步骤3，取出钢丝用去离子水清洗，然后用氮气吹干；
步骤二：配置氟硅烷疏水液，包括如下子步骤：
子步骤1，取体积为V的十七氟葵基三乙氧基硅烷(CF3(CF2)7CH2CH2Si(OC2H5)3)放入体积为24V的水中配制成体积百分比为4％的氟硅烷中间溶液；
子步骤2，用冰乙酸调节氟硅烷中间溶液的pH值至3.5；
子步骤3，将体积为75V的无水乙醇放入子步骤2处理后的氟硅烷中间溶液，将其稀释成体积百分比为1％的氟硅烷溶液；
子步骤4，将子步骤3所配制的氟硅烷溶液在室温下充分搅拌10-12h，使其形成均匀透明液体，即为配置好的氟硅烷疏水液；
步骤三：用氟硅烷疏水液修饰钢丝表面，包括如下子步骤：
子步骤1，用浸渍镀膜仪在钢丝表面粘附上一层氟硅烷疏水液：钢丝沿竖直方向向下浸入氟硅烷疏水液中，移动速度为：50-100mm/min，在溶液中停留5-10秒，提起速度为50-100mm/min，以获得均匀的氟硅烷单分子层；
子步骤2，将钢丝放入烘箱中100℃下烘干10-15分钟。
本发明的有益效果是：
水在纯钢丝表面的静态接触角约为93°左右，经过上述处理之后水在钢丝表面的静态接触角可达到140°以上，大大增加了钢丝的疏水性能。用本发明处理过的钢丝做水上微小机器人的腿部可增大其疏水性，提高其支撑力，对水上微小机器人的应用将产生一定的推动作用。
附图说明
图1是纯钢丝表面水滴静态接触角示意图。
图2是纯钢丝表面水滴静态接触角照片。
图3是实施例1中得到的疏水钢丝表面水滴静态接触角示意图。
图4是实施例1中得到的疏水钢丝表面水滴静态接触角照片。
具体实施方式
实施例1
一种水上微小机器人用疏水钢丝腿部，为一种表面有粗糙微结构的钢丝，所述微结构表面附着有氟硅烷单分子层。
一种水上微小机器人用疏水钢丝腿部的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：在钢丝表面腐蚀出粗糙微结构，包括如下子步骤：
子步骤1，将钢丝依次经过室温5分钟的丙酮震荡清洗，室温5分钟的无水乙醇震荡清洗，然后用去离子水清洗。以去除附着在上面的油污和其他杂质。
子步骤2，将钢丝放入浓度为0.5mol/L的H2SO4溶液中，室温反应8分钟。
子步骤3，取出钢丝用去离子水清洗，然后用氮气吹干。
步骤二：配置氟硅烷疏水液，包括如下子步骤：
子步骤1，取1ml的十七氟葵基三乙氧基硅烷(CF3(CF2)7CH2CH2Si(OC2H5)3)放入体积为24ml的水中配制成体积百分比为4％的氟硅烷中间溶液；
子步骤2，用冰乙酸调节氟硅烷中间溶液的pH值至3.5；
子步骤3，将体积为75ml的无水乙醇放入子步骤2处理后的氟硅烷中间溶液，将其稀释成体积百分比为1％的氟硅烷溶液。
子步骤4，将子步骤3所配制的氟硅烷溶液在室温下充分搅拌10h，使其形成均匀透明液体，即为配置好的氟硅烷疏水液；
步骤三：用氟硅烷疏水液修饰钢丝表面，包括如下子步骤：
子步骤1，用浸渍镀膜仪在钢丝表面粘附上一层氟硅烷疏水液：钢丝沿竖直方向向下浸入氟硅烷疏水液中，移动速度为：100mm/min，在溶液中停留10秒，提起速度为50mm/min，以获得均匀的氟硅烷单分子层；
子步骤2，将钢丝放入烘箱中100℃下烘干10分钟。
实施例2
一种水上微小机器人用疏水钢丝腿部，为一种表面有粗糙微结构的钢丝，所述微结构表面附着有氟硅烷单分子层。
一种水上微小机器人用疏水钢丝腿部的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：在钢丝表面腐蚀出粗糙微结构，包括如下子步骤：
子步骤1，将钢丝依次经过室温8分钟的丙酮震荡清洗，室温8分钟的无水乙醇震荡清洗，然后用去离子水清洗。以去除附着在上面的油污和其他杂质。
子步骤2，将钢丝放入浓度为1mol/L的H2SO4溶液中，室温反应5分钟。
子步骤3，取出钢丝用去离子水清洗，然后用氮气吹干。
步骤二：配置氟硅烷疏水液，包括如下子步骤：
子步骤1，取2ml的十七氟葵基三乙氧基硅烷(CF3(CF2)7CH2CH2Si(OC2H5)3)放入体积为48ml的水中配制成体积百分比为4％的氟硅烷中间溶液；
子步骤2，用冰乙酸调节氟硅烷中间溶液的pH值至3.5；
子步骤3，将体积为150ml的无水乙醇放入子步骤2处理后的氟硅烷中间溶液，将其稀释成体积百分比为1％的氟硅烷溶液。
子步骤4，将子步骤3所配制的氟硅烷溶液在室温下充分搅拌11h，使其形成均匀透明液体，即为配置好的氟硅烷疏水液；
步骤三：用氟硅烷疏水液修饰钢丝表面，包括如下子步骤：
子步骤1，用浸渍镀膜仪在钢丝表面粘附上一层氟硅烷疏水液：钢丝沿竖直方向向下浸入氟硅烷疏水液中，移动速度为：70mm/min，在溶液中停留7秒，提起速度为80mm/min，以获得均匀的氟硅烷单分子层；
子步骤2，将钢丝放入烘箱中100℃下烘干12分钟。
实施例3
一种水上微小机器人用疏水钢丝腿部，为一种表面有粗糙微结构的钢丝，所述微结构表面附着有氟硅烷单分子层。
一种水上微小机器人用疏水钢丝腿部的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：在钢丝表面腐蚀出粗糙微结构，包括如下子步骤：
子步骤1，将钢丝依次经过室温10分钟的丙酮震荡清洗，室温10分钟的无水乙醇震荡清洗，然后用去离子水清洗。以去除附着在上面的油污和其他杂质。
子步骤2，将钢丝放入浓度为0.5mol/L的H2SO4溶液中，室温反应3分钟。
子步骤3，取出钢丝用去离子水清洗，然后用氮气吹干。
步骤二：配置氟硅烷疏水液，包括如下子步骤：
子步骤1，取3ml的十七氟葵基三乙氧基硅烷(CF3(CF2)7CH2CH2Si(OC2H5)3)放入体积为72ml的水中配制成体积百分比为4％的氟硅烷中间溶液；
子步骤2，用冰乙酸调节氟硅烷中间溶液的pH值至3.5；
子步骤3，将体积为225ml的无水乙醇放入子步骤2处理后的氟硅烷中间溶液，将其稀释成体积百分比为1％的氟硅烷溶液。
子步骤4，将子步骤3所配制的氟硅烷溶液在室温下充分搅拌12h，使其形成均匀透明液体，即为配置好的氟硅烷疏水液；
步骤三：用氟硅烷疏水液修饰钢丝表面，包括如下子步骤：
子步骤1，用浸渍镀膜仪在钢丝表面粘附上一层氟硅烷疏水液：钢丝沿竖直方向向下浸入氟硅烷疏水液中，移动速度为：50mm/min，在溶液中停留5秒，提起速度为100mm/min，以获得均匀的氟硅烷单分子层；
子步骤2，将钢丝放入烘箱中100℃下烘干15分钟。
Claims (2)
1.一种水上微小机器人用疏水钢丝腿部，其特征在于：为一种表面有粗糙微结构的钢丝，所述微结构表面附着有氟硅烷单分子层。
2.一种如权利要求1所述的水上微小机器人用疏水钢丝腿部的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：在钢丝表面腐蚀出粗糙微结构，包括如下子步骤：
子步骤1，将钢丝依次经过室温5-10分钟的丙酮震荡清洗，室温5-10分钟的无水乙醇震荡清洗，然后用去离子水清洗；
子步骤2，将钢丝放入浓度为0.5～2mol/L的H2SO4溶液中，室温反应3-8分钟；
子步骤3，取出钢丝用去离子水清洗，然后用氮气吹干；
步骤二：配置氟硅烷疏水液，包括如下子步骤：
子步骤1，取体积为V的十七氟葵基三乙氧基硅烷放入体积为24V的水中配制成体积百分比为4％的氟硅烷中间溶液；
子步骤2，用冰乙酸调节氟硅烷中间溶液的pH值至3.5；
子步骤3，将体积为75V的无水乙醇放入子步骤2处理后的氟硅烷中间溶液，将其稀释成体积百分比为1％的氟硅烷溶液；
子步骤4，将子步骤3所配制的氟硅烷溶液在室温下充分搅拌10-12h，使其形成均匀透明液体，即为配置好的氟硅烷疏水液；
步骤三：用氟硅烷疏水液修饰钢丝表面，包括如下子步骤：
子步骤1，用浸渍镀膜仪在钢丝表面粘附上一层氟硅烷疏水液：钢丝沿竖直方向向下浸入氟硅烷疏水液中，移动速度为：50-100mm/min，在溶液中停留5-10秒，提起速度为50-100mm/min，以获得均匀的氟硅烷单分子层；
子步骤2，将钢丝放入烘箱中100℃下烘干10-15分钟。
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