CN115895463A - 用于仿生结构黏附剂的桥接柱状阵列结构及制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了用于仿生黏附剂的桥接柱状阵列结构及制备方法。本技术方案中，该桥连接于含有支持层相邻的柱子之间，桥的方向按一定规律进行排布。这种结构的存在提高柱子的强度，减少接触界面处的应力集中，使得柱子抗倒伏。受到横向摩擦力的时候更有利于保持柱子的稳定性，减少柱子的弯曲程度，提高了柱子的黏附力和摩擦力。更重要的是，通过选择方向性连接，可以实现仿生结构黏附剂的各向异性摩擦性能。

Description

用于仿生结构黏附剂的桥接柱状阵列结构及制备方法

技术领域

本申请涉及仿生粘附剂的技术领域，尤其涉及用于仿生结构黏附剂的桥接柱状阵列结构及制备方法。

背景技术

黏附在生产生活中不可或缺，可逆黏附更是在日常生活、大健康、工业、国防军工等领域存在广泛应用。自然界中很多动物，如壁虎、蜘蛛等，能够在各种表面爬行，其脚掌产生的黏附力起到了至关重要的作用。这些生物的黏附力主要依靠其脚掌上的结构而非化学性质，这类黏附因而被称为结构黏附。结构在人类社会中拥有广泛的应用前景。比如：在航空航天方面，既可为航天器提供在轨维修和寿命延长等服务，对非合作目标进行捕获或对接，也可用于空间碎片处置；在芯片制造领域，通过可逆黏附可实现半导体元器件的无损、无污染转移；在大健康方面，通过可逆黏附材料将传感器紧密黏附在皮肤表面以监测人体健康状况，又可保证透气性和从皮肤表面轻松剥离以减轻疼痛，甚至机器人、国防、军工等领域也有巨大的应用前景。

高黏附力和高摩擦力是生物获得强大附着能力的先决条件，因此通过模仿壁虎刚毛开发了具有方向依赖性摩擦的仿生黏附垫。倾斜微柱阵列结构的设计以产生定向摩擦，这种微柱阵列显着降低了表面的有效模量，从而在与基底接触时提高了结构柔顺性和更好的界面完整性。例如，武汉大学王正直教授制造的倾斜和梯度纤维阵列在倾斜方向上与相反方向上显示出约700％的剪切力，但在法线方向上的附着力较差。定向摩擦不仅取决于倾斜的微柱，还取决于垂直柱上的末端不对称几何形状。具有三角形几何形状的微柱在相对方向上展现出不同的剪切力。具有不对称铲状端子的微柱还提供由悬垂位置确定的各向异性剪切力，其中沿悬垂滑动的力高于逆向滑动。以上情况下的各向异性摩擦主要是基于倾斜的支柱或支柱末端不对称性在相对方向上的摩擦力的不同。因此，设计出一种垂直排列具有对称末端结构的仿生阵列，实现兼具高黏附、高摩擦且可编程摩擦方向的仿生柱状阵列仍然存在挑战。

发明内容

有鉴于此，本申请提供用于仿生结构黏附剂的桥接柱状阵列结构及制备方法，能够提高提高黏附和摩擦性能。

第一方面，本申请提供一种用于仿生结构黏附剂的桥接柱状阵列结构，包括支撑层，所述支持层上堆叠设置有若干个呈现阵列排布的柱子，相邻的柱子通过桥连接，所述桥的延伸方向呈规律地分布。

可选地，所述桥的形状为长方体、纺锤体、糖葫芦状体、光滑的柱体、含有多孔结构的柱体、内部中空的管状柱体、外部为多孔结构内部实心的柱体中的一种或几种组合；所述桥的材质为橡胶、凝胶、碳、硅、纤维素、树脂、金属、陶瓷的任一种或几种组合。

可选地，所述桥的高度小于柱子的高度，桥与支持层连接为悬空连接、单桥连接、多桥连接中任一种或几种组合，所述桥的宽度小于柱子的直径。

可选地，所述柱子为选择性连接、单一方向连接、所有方向连接、局部连接中任一种或几种作用组合。

可选地，所述柱子的材质为天然橡胶、人工橡胶、聚氨酯、聚酰亚胺、聚烯烃、聚乳酸、聚己内酯、水凝胶、气凝胶、油凝胶的任一种或几种组合。

可选地，所述支持层为实心结构或多孔结构的任一种或两者组合，所述柱子、桥、支持层为一次加工或分开加工后再粘合到一起。

可选地，所述柱子的材质、桥的材质、支持层材料为相同或不同，材料的模量相同或不同；当材料不同时，界面之间粘合牢固。

可选地，所述柱子结构末端为圆形、多边形、不规则多边形、抹刀形、蘑菇形或凹坑形中的一种或几种组合。

第二方面，本申请提供一种上述桥接柱状阵列结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，将制备材料浇注于结构化阵列凹坑模板内成形，将固化好的阵列从模板内剥离，得到未桥接的柱状仿生结构黏附剂；

步骤二，将制备桥的材料溶液旋涂在步骤一获得的黏附剂上，通过溶液浓度，旋转速度控制桥的数量，通过拉伸控制桥的取向方向，倒置固化成形后获得桥接的柱状仿生结构黏附剂。

以上提供的用于仿生结构黏附剂的桥接柱状阵列结构及制备方法，用于仿生结构黏附剂的桥结构，在相邻柱子间的连接可以提高柱子的强度，减少接触界面处的应力集中，使得柱子抗倒伏。更重要的是，通过选择方向性连接，可以实现仿生结构黏附剂的各向异性摩擦性能。尤其对于高长径比的柱子阵列在受到摩擦力时会减少柱子弯曲的程度，有利提高黏附和摩擦性能。

附图说明

下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1为本发明实施例1整体结构正侧面示意图。

图2为本发明实施例1整体结构SEM图。

图3为本发明实施例1单根桥体剖面SEM图。

图4为本发明实施例2整体结构正侧面示意图。

图5为本发明实施例3整体结构俯视示意图。

其中，图中元件标识如下：

1-桥，2-支持层，3-柱子。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

一种用于仿生黏附剂的桥接柱状阵列结构，其特征在于：在含有支持层2 的柱子阵列3结构中相邻的柱子通过桥1进行连接，桥1的方向按一定规律进行排布。

一种用于仿生黏附剂的桥接柱状阵列结构的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，将制备材料浇注于结构化阵列凹坑模板内成形，将固化好的阵列从模板内剥离，得到未桥接的柱状仿生结构黏附剂；

步骤二，将制备桥的材料溶液旋涂在步骤一获得的黏附剂上，通过溶液浓度，旋转速度控制桥的数量，通过拉伸控制桥的取向方向，倒置固化成形后获得桥接的柱状仿生结构黏附剂。

所述的桥1的形状可以为长方体、纺锤体、糖葫芦状体、光滑的柱体、含有多孔结构的柱体、内部中空的管状柱体、外部为多孔结构内部实心的柱体中的一种或几种组合；材质可以为橡胶、凝胶、碳、硅、纤维素、树脂、金属、陶瓷的任一种或几种组合。

所述的桥1在高度小于柱子3的高度，桥与支持层2连接或是悬空连接，单桥连接或多桥连接，或是以上连接方式的任一种或几种组合；桥1的宽度小于柱子的直径。

所述的桥1以在光、热、磁、电、溶剂的一种或几种刺激的作用下动态改变自身模量、改变与柱子3材料的相互作用力的大小。

所述的桥1，在阵列的柱子3中可以进行选择性连接，单一方向连接、所有方向连接、局部连接的任一种或几种作用组合。

所述的柱子3结构，柱体3材料可以为天然橡胶、人工橡胶、聚氨酯、聚酰亚胺、聚烯烃、聚乳酸、聚己内酯、水凝胶、气凝胶、油凝胶的任一种或几种组合。

所述的支持层2可以为实心结构或多孔结构的任一种或两者组合，柱子3、桥1、支持层3可以一次加工或分开加工后再粘合到一起。

所述的柱子2、桥1、支持层2材料可以相同或不同，材料的模量可以相同或不同；材料不同时，界面之间粘合牢固。

所述的柱子3结构，柱子3、桥1、支持层2可以一次加工或分开加工后再粘合到一起。

述的柱子3结构末端可以设计为圆形、多边形、不规则多边形、抹刀形、蘑菇形或凹坑形中的一种或几种组合。

下面为具体的三种实施例：

实施例1：

如图1图2和图3所示的仿生结构黏附剂，桥1在含有支持层2的柱子3 阵列中进行选择性连接。桥1在柱子阵列中进行单一方向连接，宽度为15微米, 高度为25微米，材质为硅橡胶，桥、柱子、支持层之间牢固连接，桥、柱子、支持层的模量相同。支持层2为纵横对齐整齐排列实心结构，材质为硅橡胶。柱子3的材质为硅橡胶，横截面形状为圆形，直径为50微米，高度为50微米，柱子阵列呈四方堆积，间距为10微米。

使用自制的黏附力测试装置，在1毫牛负载下，使用直径为5毫米的红宝石作为接触探针进行黏附力和摩擦力测试。

如图4所示，具有单一方向桥接的柱状仿生结构黏附剂：黏附力0.8毫牛，垂直桥方向摩擦力1.0毫牛，平行桥方向摩擦力1.8毫牛，

未具有桥接的柱状仿生结构黏附剂:黏附力0.5毫牛，摩擦力0.8毫牛。

具有单一方向桥接的柱状仿生结构黏附剂的黏附力和摩擦力明显大于的未具有桥接的柱状仿生结构黏附剂大于，且平行与桥方向上的摩擦力显著高于垂直与桥方向上的摩擦力。桥的连接提高了柱子的强度，不容易弯曲，减少了柱子直接的粘合以及柱子的塌缩，减少了应力集中，有利于摩擦和黏附性能的提升。同时由于单一方向的桥连，使得柱子在平行和垂直与桥方向的弯曲程度不同，呈现出摩擦性能上的各向异性，因此该结构在黏附理论和仿生应用方面都具有深远的意义。

实施例2：

如图5所示的仿生结构黏附剂，桥1在含有支持层2的柱子3阵列中进行选择性连接。桥1在柱子阵列中进行单一方向悬空连接，宽度为15微米,高度为12.5微米，材质为硅橡胶，桥、柱子、支持层之间牢固连接，柱子、支持层的模量相同，桥的模量是柱子与支持层的模量2倍。支持层2为纵横对齐整齐排列实心结构，材质为硅橡胶。柱子3的材质为硅橡胶，横截面形状为圆形，直径为50微米，高度为50微米，柱子阵列呈四方堆积，间距为10微米。

使用自制的黏附力测试装置，在1毫牛负载下，使用直径为5毫米的红宝石作为接触探针进行黏附力和摩擦力测试。

具有单一方向桥接的柱状仿生结构黏附剂：黏附力1.0毫牛，垂直桥方向摩擦力1.5毫牛，平行桥方向摩擦力2.4毫牛，

未具有桥接的柱状仿生结构黏附剂:黏附力0.5毫牛，摩擦力0.8毫牛。

具有单一方向桥接的柱状仿生结构黏附剂的黏附力和摩擦力明显大于的未具有桥接的柱状仿生结构黏附剂大于，且平行与桥方向上的摩擦力显著高于垂直与桥方向上的摩擦力。桥的连接提高了柱子的强度，不容易弯曲，减少了柱子直接的粘合以及柱子的塌缩，减少了应力集中，有利于摩擦和黏附性能的提升。同时由于单一方向的桥连，使得柱子在平行和垂直与桥方向的弯曲程度不同，呈现出摩擦性能上的各向异性，因此该结构在黏附理论和仿生应用方面都具有深远的意义

实施例3：

如图5所示的仿生结构黏附剂，桥1在含有支持层2的柱子3阵列中进行选择性连接。桥1在柱子阵列中进行区域性局部取向连接，宽度为15微米,高度为25微米，材质为硅橡胶，桥、柱子、支持层之间牢固连接，桥、柱子、支持层的模量相同。支持层2为纵横对齐整齐排列实心结构，材质为硅橡胶。柱子3的材质为硅橡胶，横截面形状为圆形，直径为50微米，高度为50微米，柱子阵列呈四方堆积，间距为10微米。

使用自制的黏附力测试装置，在1毫牛负载下，使用直径为5毫米的红宝石作为接触探针进行黏附力和摩擦力测试。

具有区域性局部取桥接的柱状仿生结构黏附剂：黏附力0.8毫牛，垂直桥方向摩擦力1.0毫牛，平行桥方向摩擦力1.8毫牛，

未具有桥接的柱状仿生结构黏附剂:黏附力0.5毫牛，摩擦力0.8毫牛。

具有区域性局部取桥接的柱状仿生结构黏附剂的黏附力和摩擦力明显大于的未具有桥接的柱状仿生结构黏附剂大于，且平行与桥方向上的摩擦力显著高于垂直与桥方向上的摩擦力。桥的连接提高了柱子的强度，不容易弯曲，减少了柱子直接的粘合以及柱子的塌缩，减少了应力集中，有利于摩擦和黏附性能的提升。同时由于单一方向的桥连，使得柱子在平行和垂直与桥方向的弯曲程度不同，呈现出摩擦性能上的各向异性，因此该结构在黏附理论和仿生应用方面都具有深远的意义。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于仿生结构黏附剂的桥接柱状阵列结构，其特征在于，包括支撑层，所述支持层上堆叠设置有若干个呈现阵列排布的柱子，相邻的柱子通过桥连接，所述桥的延伸方向呈规律地分布。

2.根据权利要求1所述桥接柱状阵列结构，其特征在于，所述桥的形状为长方体、纺锤体、糖葫芦状体、光滑的柱体、含有多孔结构的柱体、内部中空的管状柱体、外部为多孔结构内部实心的柱体中的一种或几种组合；所述桥的材质为橡胶、凝胶、碳、硅、纤维素、树脂、金属、陶瓷的任一种或几种组合。

3.根据权利要求1所述桥接柱状阵列结构，其特征在于，所述桥的高度小于柱子的高度，桥与支持层连接为悬空连接、单桥连接、多桥连接中任一种或几种组合，所述桥的宽度小于柱子的直径。

4.根据权利要求1所述桥接柱状阵列结构，其特征在于，所述柱子为选择性连接、单一方向连接、所有方向连接、局部连接中任一种或几种作用组合。

5.根据权利要求1所述桥接柱状阵列结构，其特征在于，所述柱子的材质为天然橡胶、人工橡胶、聚氨酯、聚酰亚胺、聚烯烃、聚乳酸、聚己内酯、水凝胶、气凝胶、油凝胶的任一种或几种组合。

6.根据权利要求1所述桥接柱状阵列结构，其特征在于，所述支持层为实心结构或多孔结构的任一种或两者组合，所述柱子、桥、支持层为一次加工或分开加工后再粘合到一起。

7.根据权利要求1所述桥接柱状阵列结构，其特征在于，所述柱子的材质、桥的材质、支持层材料为相同或不同，材料的模量相同或不同；当材料不同时，界面之间粘合牢固。

8.根据权利要求1所述桥接柱状阵列结构，其特征在于，所述柱子结构末端为圆形、多边形、不规则多边形、抹刀形、蘑菇形或凹坑形中的一种或几种组合。

9.一种如权利要求1所述桥接柱状阵列结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，将制备材料浇注于结构化阵列凹坑模板内成形，将固化好的阵列从模板内剥离，得到未桥接的柱状仿生结构黏附剂；

步骤二，将制备桥的材料溶液旋涂在步骤一获得的黏附剂上，通过溶液浓度，旋转速度控制桥的数量，通过拉伸控制桥的取向方向，倒置固化成形后获得桥接的柱状仿生结构黏附剂。

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