一种基于异质润湿性表面设计的水下粘附方法

本发明属于微细加工及表面处理领域，涉及到一种基于异质润湿性表面设计的水下粘附方法。

背景技术：

1、在工业和生物医学应用中，开发能够在水环境中实现快速、可逆切换的智能粘合剂至关重要。传统胶水在干燥环境中表现良好，但在水下环境常因水的塑化效应、界面水合膜的隔离以及离子干涉而失效。受海洋生物的启发，研究人员开发了多种具有刺激响应、可逆粘附能力的水下化学粘合剂（文献

advanced functional materials, 2019, 31(49),

1905761；advanced functional materials 2024, 34, 2400024；chemical engineering

journal, 2023,47, 144625）。尽管此类胶粘剂在水下环境中实现了刺激响应的粘附，但大多数依赖于涉及共价键形成的化学合成策略，导致制备过程复杂且可逆响应速度较慢。这些限制严重限制了此类可逆水下胶水的实际应用。相比之下，章鱼和海星进化出了更复杂、多功能的水下附着系统，受这些生物附着机制的启发，研究人员开发了多种可切换的粘合装置和材料（文献

science advances, 2022, 8, abq1905；science advances, 2025, 11,

adx3539;advanced science, 2025, 12, 2407588）。虽然此类粘附系统消除了复杂的化学合成途径，但制备精度要求更高，制备工艺更加繁琐复杂。

2、大气环境中，两固体界面间的薄液膜可借助毛细效应构建高效物理附着体系，该天然界面作用既无需复杂化学合成，也不存在繁复制备工艺。例如，文献《

proceedings of

the national academy of sciences 2010, 107, 3377–3381》报道了一种基于毛细力的粘附装置，通过控制该装置表面液滴的拉伸和收缩，建立了设备与目标物体之间的可逆液桥，从而实现了对物体的可逆粘附。然而，水下环境中，缺乏气相会消除气/水界面，从而阻止拉普拉斯压差的有效形成，使毛细粘附机制失效。

3、综上所述，现有可逆粘附设计技术存在以下主要缺陷：（1）基于化学合成的化学粘附剂大多数依赖于化学合成策略，存在制备过程复杂且可逆响应速度慢问题；（2）基于吸盘类粘附装置精度要求高，制备工艺繁琐复杂；（3）基于毛细效应的粘附剂设计虽然避免了上述两种缺陷，但大多适应于空气中在，在水下气相的消失会导致粘附机制失效。

4、因此，开发可在多种严苛实际工况下维持稳定性能、并实现快速按需拾取与脱附的新型可逆毛细胶粘剂具有重要意义。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种新型、绿色、稳定且可快速释放的一种基于异质润湿性表面设计的水下粘附方法，具体是一种基于异质润湿性表面设计的水下粘附方法。本发明通过两个表面进行异质润湿性构造，局部将油相或空气限制在由超疏水（亲脂）区域形成的空腔内，构建稳定的油/水界面或空气/水界面，将内部水桥与外部水环境隔离，依托毛细管效应产生的拉普拉斯压力差实现两表面间的稳固粘附。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种基于异质润湿性表面设计的水下粘附方法，包括以下步骤：

4、步骤1，超亲水处理；

5、对基底表面进行砂纸打磨，采用激光刻蚀制备超亲水表面；所述基体选自铝、铜、铁或柔性铝胶带。

6、步骤2，超疏水处理；

7、将基体置于氟硅烷与乙醇的混合溶液中浸泡，烘干后获得均匀超疏水基底，其表面为超疏水表面。

8、进一步的，所述混合溶液中氟硅烷的质量分数为1~3wt.%。

9、步骤3，异质润湿性表面；

10、在步骤2得到的均匀超疏水基底上，通过控制激光的扫描路径进行选择性刻蚀，使刻蚀区域转变为超亲水区域，未刻蚀区域则保留原始超疏水状态。构建 “中心超疏水-外围超亲水” 的润湿表面；通过等线宽的阵列化同心环形刻蚀路径，即能够形成多组阵列交替排布的、环带宽度保持一致的同心亲疏水环形复合结构。

11、步骤4，粘附；

12、采用两种方式实现两个相同结构的异质润湿性表面粘附。在水下直接将两个相同异质润湿性表面互相贴合；或在其中一个异质润湿性表面的表面超疏水区域形成的气腔中注入不溶于水的液体后，与另一个异质润湿性表面贴合实现粘附；所述不溶于水的液体包括二甲基硅油、液体石蜡或花生油。

13、该步骤中的两种粘合方式：一种方式是两表面直接粘合，这样两个表面贴合后的超疏水区域会形成气腔，超亲水区域则被水相填充形成链接两表面的水桥，最终构建出外围空气环包覆中心水桥的复合结构，气/水两相界面的界面张力会诱导产生拉普拉斯压差，进而产生粘附力。另一种方式是向其中一个表面的超疏水区域形成的空腔中引入定量不溶于水的液体(油相)。两个表面贴合时，预填充油相会因超疏水区的亲脂特性而扩散到另一表面的超疏水空腔中。同时，两个表面的亲水区内的水接触并融合，形成连接两表面的水桥。最终构建出外围油环包覆中心水桥的复合结构，形成稳定的油/水两相界面，由界面张力诱导产生拉普拉斯压差，进而提供稳定的粘附力。

14、步骤5，分离；

15、在两异质性润湿表面之间施加32 v电压，能够在6 s内实现快速分离。

16、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

17、（1）环保且加工简单：所提出的水下粘附策略以毛细粘附效应产生的拉普拉斯压差为核心驱动力，无需依赖化学胶粘剂的共价键合作用，仅通过纯物理界面效应即可实现稳定的界面结合，环境友好性突出；同时，异质润湿性基底制备流程简便，无需复杂精密的加工设备与严苛的反应条件，加工成本低且易于规模化制备。

18、（2）响应迅速：当在两表面施加电压时，水桥内部发生电解并持续产生氢气与氧气气泡，气泡的生成会破坏水桥的连续结构，缩减水桥与基底的有效接触面积，进而削弱界面粘附力。当电压达到32v时，仅需 6 s 即可实现界面快速分离，脱附响应性能显著优于已报道的光控、热控方案。

19、（3）材料适应性强：基底材料选择范围广，可涵盖柔性导电材料及多种金属材料（铝、铜、铁等）。

20、（4）可重复使用：经50次循环使用后，粘附力几乎无衰减，具有良好的耐久性。

21、（5）多种粘附方式：

22、方法1：直接贴合两个异质性润湿表面，疏水部分会在水下形成气腔，隔绝内部水桥和外部水环境，依靠气/水界面表面张力产生的拉普拉斯压差实现稳定粘附。

23、方法2：在疏水区域注入不溶于水的液体，形成填充环，同样可实现内部水桥和外部水环境的隔绝，依靠填充液/水界面的表面张力而产生的拉普拉斯压差实现稳定粘附。

24、（6）粘附力可调控：通过加工多个阵列式亲-疏水环，可使粘附力呈指线性增长，满足不同强度需求。

25、综上所述，本发明提出的基于异质润湿性界面的水下可逆毛细粘附方案，以纯物理界面效应为核心机制，兼具绿色环保、制备简便、脱附响应迅速、基底适配性广、循环耐久性优异的综合优势，同时支持两种粘附模式，且粘附力可通过阵列化结构实现线性调控，能够灵活适配不同载荷、不同工况的水下粘附需求。