CN111511862B - 双面可逆粘附结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带有至少两个面状区域的物件，所述面状区域适合于干式附着并且其区别在于粘附参数。通过合适的结构化能够实现的是，必要时结合适当的按压力，有选择性地控制在该面状区域上接触的表面的剥离。

Description

双面可逆粘附结构
技术领域
本发明涉及一种带有至少两个表面的物件，所述表面分别具有至少一个能够干式附着的面状区域，并且本发明涉及一种利用这种物件进行可切换的粘附的方法。
现有技术
两个物件之间的分子间附着力可以通过纤维状的表面结构增强或控制。该原理也被称为壁虎效应。如果被结构化的弹性体表面在特定的按压力下压向相对平整的表面，则能够建立范德华交互作用。而且从自然中也已知可逆的粘附、也即有目的地切换附着和松脱的可能性。然而壁虎通过“剥离”其粘附纤维而实现松脱，相较而言这对于工业结构结构通常是不可行的，并且通常仅在使用剪切粘附力、即沿基材/物件表面方向上的粘附力时才有意义。对于所谓的法向粘附力、也即垂直于基材表面的粘附力来说，必须另行启动剥离。
粘附的强度和剥离的类型在此可以通过干式附着结构在表面上的结构被控制。与普通的粘接连接相比，这允许有目的地控制附着力。
恰恰对于一些需将物件在特定表面上可逆固定的应用来说，这种结构可以带来优点。
在使用柱状粘附结构、也即由多个柱状凸起组成且其端面构成用于粘附在表面上的接触面的结构时，通常如下触发剥离，即，通过外部影响减少相对于表面的接触面。
已知的是，接触面的减少可以通过凸起在压力载荷下的屈曲实现。在压力载荷充足时，弹性不稳定性导致凸起的折弯。这也被称为欧拉屈曲。临界力为：
F＝(nπ/L)2EI
在此，E表示弹性模量，I是面积惯性矩，L是凸起的长度(高度)并且n是与凸起的机械夹紧相关的前置因数。面积惯性矩在筒状结构中为I＝πd4/64。由此得出以下关系：与具有较小长度、较大直径或较高弹性模量的凸起相比，具有较大高度、较小直径或较小弹性模量的凸起在更小的力下发生屈曲。
恰好在操纵较小物件时，传统的固持设备遇到其局限。
技术问题
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种允许有选择性地操纵物件的方法，所述方法尤其允许有选择性地剥离物件。
技术方案
所述技术问题通过具有独立权利要求的技术特征的本发明解决。本发明的有利的改进方式在从属权利要求中给出。所有权利要求的表述在此被引用至本说明书的内容之中。本发明包括独立权利要求和/或从属权利要求的全部合理的且尤其全部所提到的组合。
所述技术问题通过一种物件解决，所述物件至少在两个表面上分别各具有能够干式附着的面状区域(或称为面)，其中，这两个面状区域在至少一个粘附参数上是不同的。
优选地，所述面状区域的粘附是以法向粘附力为基础的。尤其是具有以垂直凸起为基础的结构的面状区域。
优选地，至少一个面状区域具有包括垂直凸起的结构。特别优选地，两个面状区域都具有包括垂直凸起的结构。
用于干式附着的面状区域优选布置在所述物件的不同侧面上。优选布置为，可以根据应用对每个面状区域单独接触。尤其至少两个面状区域布置在所述物件的不同侧面上。在此，所述两个面状区域平行地相互对置，或者具有角度。在具有角度的情况下，该角度优选是60°以下、尤其30°以下的锐角。优选是相互平行的侧面。所述面状区域还可以内凹或外凸地弯曲。这可以根据应用而改变。
粘附参数不仅理解为结构所要求的粘附力，而且还是为结构的剥离所施加的力。所述结构例如可以通过在不同条件下的欧拉屈曲而被剥离。欧拉屈曲导致的是，通过在高按压力下对结构的礅实降低附着力，并且该结构在较小的拉力下从表面剥离(松脱)。这种结构因此与按压力相关地具有两个不同的粘附力。如果未超过用于欧拉屈曲的按压力，则粘附力通常较高，也就是说表面紧固地粘附在结构上。如果超过用于欧拉屈曲的按压力的数值，则结构的粘附力显著减小并且该结构会在小得多的拉力下剥离。
同样可行的是，包括凸起的结构通过该结构的其他变形而剥离。这例如可以通过平行于粘附面的剪切负载实现。凸起根据其弯曲刚度(E*I)发生变形。由此，同样降低附着力并且剥离结构。在此，关键并不在于粘附连接的剪切强度，而是通过结构的变形导致附着力的下降。易于弯曲的结构因该机制而能够轻易剥离。剪切负载可以通过与表面平行的任意运动实现。该运动可以是线性运动或转动。通过剪切负载实现的剥离的优点在于，不必像触发欧拉屈曲那样垂直于粘附面施加压力。然而这种附着连接对于剪切力敏感。因此，两个面状区域的区别可以在于为其剥离所需的力、也即用于欧拉屈曲的按压力或用于剥离的剪切负载。
在根据本发明的物件中，两个面状区域的粘附力优选被控制，从而使得在法向粘附一个面状区域时的粘附力比法向粘附另一个面状区域时的粘附力更高。由此在物件的两个面状区域与两个表面接触时，优选将具有较低粘附力的面状区域重新剥离。在剥离时既有的粘附力例如可以通过触发欧拉屈曲或剪切负载而减小。
优选地，至少一个面状区域的结构选择为，该结构能够通过较高的按压力、通过欧拉屈曲被剥离。优选地，在欧拉屈曲之后尚存的粘附力小于其他结构的粘附力。由此优选可以通过触发欧拉屈曲而将该面状区域剥离。
在一种优选的实施方式中，具备较高粘附力的结构是具有较低的用于触发欧拉屈曲的按压力的结构。
同样适用于通过剪切负载的剥离。在剪切负载之后该面状区域的粘附力优选小于其他面状区域的粘附力。由此可以优选将该面状区域剥离。在此优选通过欧拉屈曲实现剥离。
粘附力还可以受到两个面状区域的可供粘附的表面的影响，优选受到存在于面状区域上的凸起的影响。在此，在相同的负载分布的情况下，用于集体屈曲(欧拉屈曲)的力根据以下公式与凸起的数量成线性比例关系：
F＝N(nπ/L)2EI
其中，N代表凸起的数量。所述结构可以包括仅一个凸起。优选地，根据本发明的结构包括至少10个凸起、特别优选至少20个凸起、尤其至少50个凸起。
优选地涉及包括多个凸起(支柱)的结构，所述凸起至少分别具有主干并且包括与表面背离的端面。凸起利用所述端面与凸起应粘附在其上的表面形成接触。
端面的垂直高度应理解为端面与凸起布置在其上的表面的间距。
在本发明的一种优选的实施方式中，本发明的每个结构的凸起都柱状地构造。这意味着，其优选涉及垂直于表面构造的凸起，所述凸起具有主干和端面，其中，所述主干和端面可以具有任意的横截面(例如圆形、卵形、矩形、正方形、菱形、六角形、五角形等)。
优选地，所述凸起构造为，端面在所述凸起的底面上的垂直投影与所述底面构成重叠面，其中，重叠面和重叠面在端面上的投影展开的实体完全处于凸起内部。在本发明的一种优选的实施方式中，重叠面包括底面的至少50％、优选底面的至少70％、特别优选重叠面包括整个底面。因此凸起优选不倾斜。
在一种优选的实施方式中，端面平行于底面且平行于表面地定向。如果端面不平行于表面定向并且由此具有不同的垂直高度，则端面的平均垂直高度被视作凸起的垂直高度。
在一种实施方式中，凸起的端面大于底面。
在本发明的一种优选的实施方式中，凸起的主干基于其平均直径所具有的高度与直径的高宽比为0.2至100、优选为0.5至20、特别优选为2至5之间。优选地，针对至少一个结构根据结构和材料来选择高宽比，从而能够通过针对特定按压力的欧拉屈曲实现剥离。在此优选地，高宽比是3至20、尤其3至10、特别尤其5至10。
平均直径在此应理解为在凸起的整个长度上平均求得的具有与凸起的相应横截面相同面积的圆形的直径。
凸起可以具有拓宽的端面，所谓的“蘑菇”结构。
在一种优选的实施方式中，凸起不具有拓宽的端面。
在此，凸起的面状区域本身可以结构化，从而增大其表面。在此情况下，端面的平均垂直高度被视作凸起的垂直高度。
在一种优选的实施方式中，所有凸起的垂直高度在1μm至10mm、优选1μm至5mm、尤其1μm至2mm、优选10μm至2mm的范围内。
在一种优选的实施方式中，从面状区域开始的底面相当于直径为0.1μm至5mm之间、优选0.1μm至2mm之间、尤其优选1μm至500μm之间、特别优选1μm至100μm之间的圆。在一种实施方式中，底面是直径为0.3μm至2mm之间、优选1μm至100μm之间的圆。
主干的平均直径优选为0.1μm至5mm、优选0.1μm至2mm、尤其优选1μm至100μm之间。优选地，高度和平均直径根据优选的高宽比被调整。
在一种优选的实施方式中，在端面拓宽的情况下，凸起的端面的表面积优选是凸起的底面的面积的至少1.01倍、优选至少1.5倍大小。其能够以1.01至20的系数增大或例如增大1.05至2倍。
在另一种实施方式中，端面较之底面大5％至100％，特别优选较之底面大10％至50％。
凸起的端面的拓宽意味着，这种凸起在端面的区域中拓宽。所述拓宽还带来在相应区域中直径的拓宽，所述拓宽优选仅涉及直接位于端面前的区段和端面本身。可以这样描述，就像是在具有确定直径的凸起上在端部上设置具有较小厚度的扁平实体，例如在柱形件上设置盘形件。在此，拓宽部可以具有锥形的周向面，从而使拓宽部朝端面增大。在此，拓宽部相对于凸起的整个垂直高度的比例而言是垂直高度的最多20％、优选垂直高度的最多10％、尤其垂直高度的最多2％。作为与欧拉屈曲相关的直径所使用的是不具有拓宽的直径。
在一种优选的实施方式中，两个凸起之间的间距小于2mm、尤其小于1mm。
凸起优选规则地周期性布置。
凸起的弹性模量为优选50kPa至3GPa。优选地，弹性模量为50kPa至5GPa、尤其100kPa至1GPa、尤其为500KPa至100MPa。特别高或特别低的弹性模量是否有利，还可以取决于相应的结构是否应适用于欧拉屈曲。
在相互对置的面状区域上的结构的区别优选至少在于为触发欧拉屈曲所需的按压力。
在相互对置的面状区域上的结构的区别优选在于选自该结构的以下性质中的至少一项，尤其是凸起的数量、直径和/或高度和弹性模量。这还实现了为欧拉屈曲所需的按压力的变化。该区别可以根据应用被调整。
例如在相同直径和相同高度的情况下优选的是，弹性模量的比例大于2、优选大于5，由此充分区分为屈曲所需的力。
优选地，为触发欧拉屈曲所需的按压力相差至少系数2、优选至少系数5。
凸起的材料可以根据需求由技术人员自由选择。凸起可以例如包括以下材料：
环氧和/或硅酮基弹性体、热塑性弹性体(TPE)、聚氨酯、环氧树脂、丙烯酸酯系、甲基丙烯酸酯系、聚丙烯酸酯均聚物和共聚物、聚甲基丙烯酸酯均聚物和共聚物(PMMA、AMMA丙烯腈/甲基丙烯酸甲酯)、聚氨酯(甲基)丙烯酸酯、硅酮、硅树脂、橡胶、例如R橡胶(NR天然橡胶、IR聚异戊二烯橡胶、BR丁二烯橡胶、SBR丁苯橡胶、CR氯丙烯橡胶、NBR丁腈橡胶)、M橡胶(EPM乙烯-丙烯橡胶、EPDM乙丙橡胶)、不饱和聚酯树脂、甲醛树脂、乙烯基酯树脂、聚乙烯均聚物或共聚物以及上述材料的混合物和共聚物。还优选由欧盟(根据2011年1月15日颁布的EU-VO，2011年1月14日第10/2011号)或FDA批准用于包装、药品和食品领域的弹性体或由PVD和CVD方法技术制造的不含硅的UV固化树脂。在此，聚氨酯(甲基)丙烯酸酯表示聚氨酯甲基丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯及其混合物和/或共聚物。
优选的是热塑性弹性体(TPE)，其可以基于不同的聚合物，例如热塑性共聚酰胺(TPA)、热塑性聚酯弹性体/热塑性共聚酯(TPE)、基于烯烃的热塑性弹性体(TPO)，主要是PP/EPDM(PP：聚丙烯)、苯乙烯嵌段共聚物(TPS)、例如SBS，SEBS，SEPS，SEEPS和MBS，或基于聚氨酯的热塑性弹性体(TPU)、例如Elastollan，Desmopan，Texin或Utechllan，以及热塑性硫化橡胶(TPV)。
优选地，环氧和/或硅酮基弹性体、聚氨酯(甲基)丙烯酸酯、聚氨酯、硅酮(或称为聚硅氧烷)、硅树脂(例如可UV固化的PDMS)、热塑性聚氨酯(TPU)、聚氨酯(甲基)丙烯酸酯或橡胶(例如EPM、EPDM)。
在一种优选的实施方式中，所述结构具有背层，在所述背层上布置有凸起。背层优选由与凸起相同的材料制成。
该物件本身可以由任意材料制成。在其表面上布置至少两个所述结构。
两个相互对置的结构优选布置在物件的两个相互平行的侧面上。优选地，两个结构分别覆盖该物件的各侧面的50％以上、优选70％以上。
在一种优选的实施方式中，两个侧面之间的间距小于被所述结构覆盖的两个表面的最小直径，尤其最小直径与间距的比例至少为2:1。
在本发明的另一种实施方式中，该物件是粘附垫，所述粘附垫在两侧分别各具有一个上述结构。
优选地，两个所述结构分别布置在面状实体的正面和背面上，优选具有至少0.1mm、优选至少0.2mm、尤其至少0.5mm的厚度。根据所期望的应用，最大厚度可以不超过2cm、优选不超过1cm、尤其不超过6mm。
优选地，所述实体使两个布置在该实体上的结构脱耦，以至于其中一个结构的欧拉屈曲不会影响到另一个结构。这可以例如通过实体的厚度和/或通过其弹性模量实现。例如两个结构可以布置在以弹性模量高>100倍的材料制成的板件的两侧上，例如由塑料或金属制成的板件。
此外，本发明还涉及一种用于有选择性地附着根据本发明的物件的方法。
以下详细描述各个方法步骤。实施步骤并非必须以给定的顺序实施，并且待描述的方法还可以具有其他未提及的步骤。
在第一步骤中，第一面状区域与第一表面接触，并且第二面状区域与第二表面接触。并非必须使整个面状区域接触。以附着所需尺寸的区域接触即可。因此可以使所述面状区域的部分接触。
必要时，该接触可以包括按压，以便改进附着。然而不触发欧拉屈曲。
两个已接触的表面并非必须是尺寸相同的。例如当多个物件应通过附着同时粘附在面状区域上时，也可以使多个表面同时接触在面状区域上。
通过接触构成面状区域与各相应接触的表面之间的粘附力。
优选地，所述接触沿垂直于面状区域和表面的方向进行。
优选地，面状区域与表面之间的粘附力的主分量垂直于面状区域和表面(法向粘附力)。
为进行剥离，使至少一个已接触的表面从物件上远离运动，直至两个表面中的一个从物件剥离。优选地，所述远离运动垂直于已接触的面状区域进行。该运动还可以通过仅一个表面的运动实现。
在一种优选的实施方式中，在表面的远离运动之前，还额外地通过对其中一个结构足够的按压力针对该结构实现欧拉屈曲。由此大幅降低该面状区域的粘附力，这实现了接触在该面状区域上的表面的有利剥离。
因此，通过两个面状区域及其结构的合适选择，能够通过在剥离前施加的按压力来控制应将两个表面中的哪一个剥离。
由此例如能够实现的是，大幅简化小型对象的操纵。由此可以将根据本发明的物件例如构造为粘附垫。冲头或夹具接触第一表面，并且根据本发明的物件粘附在冲头或夹具上，所述冲头或夹具此时则能够以物件的另一面状区域接触对象。当与对象的粘附力大于与冲头或夹具的粘附力时，可以简单地拾取和存放对象。为将根据本发明的物件从冲头或夹具剥离，随后可以施加更高的按压力，从而在与冲头或夹具的基础面上形成欧拉屈曲。
在另一种实施方式中，欧拉屈曲可以被用于对象的固持。根据本发明的物件可以粘附在一个或多个对象上，所述对象被不同的冲头或夹具拾取。与对象的干式附着的连接那时强于与冲头或夹具的连接。一旦具有更高的按压力和由此实现的欧拉屈曲，才将对象从根据本发明的物件上剥离。
其他细节和特征由以下对优选实施例的附图结合从属权利要求给出。在此，各个技术特征可以单独或更多地以相互组合方式实现。解决技术问题的可能性不局限于所述实施例。
例如范围说明始终包括所有(未提及的)中间值和所有可考虑的部分区间。
在附图中示意性示出多个实施例。在此，相同的附图标记在各个附图中表示相同或功能相同或在其功能方面相互对应的元件。具体在附图中：
图1示出具有相互对置的多个结构的物件的示意图，所述结构的区别在于凸起的高度(长度)(示例1)、直径(示例2)或弹性模量(示例3)。在下方示出具有两个根据示例2的结构的物件的侧视图，其中D1＝0.8mm并且D2＝0.4mm以及L1＝L2＝1.6mm并且E1＝E2＝2MPa；
图2示出在图1所示结构的负载和去负载(远离)时测得的力的视图；
图3示出用于制造双面可逆粘附结构的示意图；
图4示出用于确定作为压入深度的函数的附着力的测量装置的视图；
图5示出根据本发明的物件的受控的剥离；
图6示出作为根据图1的示例1的结构的函数的粘附力；并且
图7示出作为根据图1的示例2的结构的函数的粘附力。
图1示出带有两个相互对置的结构的物件的多个示例的上部区域，所述结构具有柱状的凸起，所述凸起又具有略微拓宽的端面(蘑菇)。在示例1中，所述结构的区别在于其凸起的高度(L1不等于L2)。在示例2中，凸起的直径不同(D1不等于D2)。在示例3中，凸起的弹性模量不同(E1不等于E2)。这些区别导致的是，除了不同的粘附力之外，还在不同的力下实现结构中的欧拉屈曲。
图2示出图1(下方)所示的物件在不同负载下的特性。为此，使物件的两个结构与表面接触。如果这时外部压力垂直于接触面地施加在物件上(按压力)，两个结构则相互压紧(位移为负)。如果这时压力又下降，也即多个接触的表面或其中一个接触的表面相对于物件远离地运动，则可以测量附着力(图2中的“拉力”)，直至实现物件的剥离。哪个结构被剥离取决于其附着力。该特性在图2中通过实线示出。
如果按压时的压力这时超过欧拉屈曲的极限，则导致弹性屈曲并进而导致发生屈曲的结构与接触在该结构上的表面的接触面积减小。在表面剥离时测得的力下降。这时要使用的力明显更低，并且该表面能够以显著更低的力剥离。在此，已经触发欧拉屈曲的结构被剥离。
图3示出用于制造双面粘附结构的可能性。未交联的、液态的聚合物(预聚合物)被灌注进多件式的铸模中。该铸模包含用作粘附结构的模板(阴模)的插件。在交联之后，将双面粘附结构脱模。
图4示出用于根据压入深度来确定附着力的测量装置。从两侧针对玻璃基材测量附着力。玻璃基材(下方)支承在翻转台上，以便使粘附表面相对于基材表面定向。在测量时，上部的基材发生接触并且以规定的压入深度按压。在此记录按压力(压力)。在按压之后基材被拉开并且确定粘附力(拉力)。
图5示出如何在图1的物件中应用该原理。使用根据图1的示例1的结构，也即两侧上的凸起的区别在于其高度。在接触两个结构时，通过按压力(也称为压入深度)可以控制两个结构中的哪一个进行剥离(在已接触的表面相同时)。在按压力不导致欧拉屈曲(图5左侧)时，具有较小粘附力的结构在相离运动时被剥离。在下部视图中示出，物件的上部结构已被剥离。这也是具有较短凸起的一侧。相反，如果选择导致在结构中的欧拉屈曲的按压力，则针对该结构的附着性显著降低，这导致该结构的优选剥离(图5右侧)。
图6示出针对图1的示例1的物件所表现出的测量值。测量粘附力与压入深度的关联性。在压入深度较小时，双面结构具有附着性，在压入深度较大时附着性较小。随着压入深度的增加，基材的剥离从侧面1(填充点)变换至侧面2(未填充点)。所述点相当于实验数据。虚线相当于拟合的S函数，用于针对附着和低附着区域确定渐近的力值。
图7示出针对图1的示例2的物件所表现出的测量值。测量粘附力与压入深度的关联性。在压入深度较小时，双面结构具有附着性，在压入深度较大时附着性较小。随着压入深度的增加，基材的剥离从侧面1(填充点)变换至侧面2(未填充点)。所述点相当于实验数据。虚线相当于拟合的S函数，用于针对附着和低附着区域确定渐近的力值。
试验的所有结构类型的切换效率都汇总在表1中。两种状态(附着和低附着)的粘附应力σp,i由渐近的粘附力Fp,i(比较图6和图7)和接触面积A计算得出：σp,i＝Fp,i/A。
效率S由S＝1-σp,K/σp,0计算得出，其中，σp,0是不具有屈曲(压入深度较小时)的粘附应力，而σp,K是在结构屈曲之后(在压入深度较大时)的粘附应力。S可以在0至1之间变化，其中，0表示不具有切换特性，而1表示最大切换效率。表1结果显示，所有的双层粘附结构都具有大于0.5的效率，其中，一些具备S≈0.8的实施例具有极高的切换效率。两个切换结构之间的层的厚度在所述示例中仅对切换效率具有较少影响。
优选地，所述***具备大于0.5、尤其大于0.7的切换效率。
表1

Claims (5)

1.一种物件，所述物件至少在两个相互对置的表面上分别具有能够干式附着的面状区域，其特征在于，两个面状区域的区别在于至少一个粘附参数，并且两个面状区域的粘附力是不同的，两个面状区域都具有包括垂直凸起的结构，所述结构的粘附力能够通过欧拉屈曲或剪切负载降低，并且所述结构之间的区别在于至少一项以下性质：凸起的数量，直径和/或高度，和弹性模量。
2.根据权利要求1所述的物件，其特征在于，在欧拉屈曲或剪切负载之后形成的粘附力低于其他面的粘附力。
3.根据权利要求1所述的物件，其特征在于，粘附力能够通过欧拉屈曲降低。
4.一种用于有选择性地附着根据权利要求1至3中任一项所述物件的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)第一面状区域与第一表面接触，并且第二面状区域与第二表面接触；
(b)将至少一个表面从所述物件远离运动，直至两个表面中的一个表面剥离。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述表面的远离运动之前通过足够的按压力在所述结构之一中实现欧拉屈曲。
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