复合柱状物结构制造技术

本发明专利技术涉及复合柱状物结构，其特别地用于对柔软且粗糙的表面的粘附。所述复合柱状物结构在纵向上包括至少一个具有较低的弹性模量的区域和至少一个具有较高的弹性模量的区域，其中具有较低的弹性模量的区域优选地包括端面，其中两个区域彼此邻接。

Composite columnar structure

The invention relates to the structure of a composite columnar, which is especially used for adhesion to a soft and rough surface. The composite columnar structure includes at least one region with low elastic modulus and at least one area with high modulus of elasticity, where a region with lower elastic modulus preferably includes an end face, where the two regions are adjacent to each other.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】复合柱状物结构
本专利技术涉及具有改善的粘附性、特别地对粗糙和/或柔软的表面的改善的粘附性的结构化表面及其制造方法。
技术介绍
一些节肢动物和壁虎的粘附器官揭示了临时的可逆粘附的有前景的构思。它们的纤维状纳米或微米结构使得能够通过均匀的粘附接触在不同材料和具有不同粗糙度的基底上前向运动。这种纯物理作用的粘附体系自发现以来就已成为针对产生这种性质的人造系统的研究主题。进来，基于弹性体微观结构已证实纤维状粘附体系对非常光滑且硬的基底表面(例如玻璃、硅晶片或抛光的金属表面)的模拟成功的构思。然而，到目前为止不太成功的是，将这样的粘附机制转换至粗糙且易弯曲(柔性)的表面，尽管这在自然界中并不罕见并且对节肢动物或壁虎来说不存在障碍。设计参数(例如原纤维直径、长径比和接触点的几何形状(几何结构))可通过微结构化技术被有针对性地改变，并且之后被研究和分析。例如，经发现，具有高的长径比的原纤维在分离期间能更好地消散弹性能量，并因此能够获得较大的粘附力。然而，高的长径比对于这样的结构的机械稳定性是不利的，因为这些结构在压缩时更易于受到欧拉屈曲(Eulerbuckling)或者甚至在没有力的作用下由于降低的弯曲强度而出现相邻原纤维的聚集。纤维状结构增加了接触区域中的弹柔性，其结果是该结构比相同材料的未结构化的表面可更好地适应粗糙的基底。已经显示，粘附力随着粗糙度的增加而降低，但是这种效果可被纤维状结构的增加的柔性抵消。理论上，这可通过有效E模量的确定来描述，其中固体的固有E模量作为互穿空气体积的函数而降低。因此，以壁虎的β-角蛋白原纤维为例，已经观察到E模量降低超过4个数量级至约100kPa的有效弹性模量。此外，分层组织的原纤维结构具有抵抗在数个长度尺度(长度标)上的粗糙度的可能性，其中每个层级均覆盖限定的幅度(数量级)。尽管在过去十年中对纤维状粘附体系的基础理解有了巨大的收益，但是迄今为止，它们的应用领域仍几乎完全地限于硬的且光滑的物体，例如玻璃、晶片和经抛光的金属表面。这种体系对柔软的、易弯曲的、常常具有粘弹性质的基底例如皮肤表面的粘附机制至今仍然知之甚少。此外，除了其粘弹性性质之外，皮肤在不同程度上是粗糙和潮湿的，并因此代表了研究的一个重大挑战。可逆粘结的重要领域是基于范德华力的干粘附，类似于壁虎结构。这种结构是可分离的并且还可被多次使用。然而，问题在于表面的粘附力可仅受到有限程度的影响。Bae等人(Bae,W.G.,Kim,D.,Kwak,M.K.,Ha,L.,Kang,S.M.&Suh,K.Y.(2013a).Enhancedskinadhesivepatchwithmodulus-tunablecompositemicropillars.Adv.Healthc.Mater.,2,109-113)可显示，突起(projection)的端面(endface)上的薄膜可改善对柔软表面(例如皮肤)的粘附性。然而，仅使用了薄膜并且仅经不充足地聚合，这在应用到皮肤上时是特别有问题的。技术问题本专利技术的目的在于提供具有粘附性质并且避免现有技术的缺点的结构化的表面。所述结构化的表面应特别适用于粗糙且柔软的表面。此外，提供能够制造这种结构化的表面的方法。解决方案该目的通过具有独立权利要求的特征的本专利技术得以解决。本专利技术的有利的扩展在从属权利要求中被特征化。所有权利要求的措辞在此通过引用并入本说明书的内容中。本专利技术还包括所有合理的并且特别地所有提及的独立权利要求和/或从属权利要求的组合。该目的通过固体的结构化的表面得以解决，其中所述表面具有包括多个(大量)突起(柱状物)的结构，其中每个突起具有至少一个主干(stem)并且包括背离所述表面的端面。在此，所述主干在纵向上包括至少两个具有不同的弹性模量的区域，其中两个区域彼此相邻并且形成相边界(相界面)。在此，区域(region)应理解为突起的一部分，其在至少一个点处包括平行于突起的基面(底面，basearea)的完整的横截面。优选地，除了界面的区域之外，区域总是包括突起的整个横截面。然后，各个区域构成与由不同构件块(区域)组成的柱状物的结构相似的突起，其各自包括柱状段(columnsegment)。区域彼此接触的面被视为界面。根据制造过程，所述界面也可包括粘结助剂的薄层。在这样的区域内，弹性模量优选地为恒定的。令人惊奇地，现在已经发现，这样组装的突起导致粘附性的改善，特别地对粗糙且光滑的表面。而且，通过选择界面的几何形状，特别地在弯曲的界面的情况下，粘附性可进一步显著地增加，特别地在弹性模量与区域的尺寸的有利的比率下。因此，可实现粘附，否则其只有以加宽的端面(蘑菇状物，mushrooms)才有可能，然而其是难以制造(产生)的并且在使用软的材料的情况下有塌陷的倾向。据推测，有利的性质归因于在接触区域中的从边缘至中心的最大张力的偏移。在本专利技术的优选的实施方案中，具有较低弹性模量的区域、优选地具有最低弹性模量的区域包括端面。这意味着端面也由该材料组成。通过该结构，实现了，突起的主干比端面的区域弹性更小。因此，柱状物体的主干在有或没有载荷下较少地倾向于聚集(团聚)。同时，端面更具弹性，并且可更好地适应粗糙的表面。在本专利技术的优选的实施方案中，相界面不平行于相应突起的端面。在本专利技术的一个实施方案中，包括端面的区域的垂直厚度相对于邻接区域的相界面不是恒定的。当该相界面不平行于端面时，是这样的情况。在此，垂直厚度应理解为在端面与相界面之间的突起的纵向方向(长度方向)上的距离。因此，例如端面可为弯曲的并且界面形成平面，或者端面为平面形状并且界面为弯曲的。优选地，区域的厚度在任意的方向上朝向边缘增加或减小。如果两个面(端面或相界面)中的至少一个具有曲率，则是这种情况。两个面也可不同地弯曲。在本专利技术的优选的实施方案中，两个区域之间的至少一个相界面具有曲率。优选的是在突起内的具有至少一个最小值或最大值的界面的曲率，优选地具有一个最小值或最大值。该相界面优选地为抛物面形状、半球形状至碗形状的。特别地，如果界面本身不为与突起相交的平面，则将该界面看作弯曲的。在这种情况下，所述界面也可仅具有朝向边缘的曲率，而其在突起的中间是平坦的。这样的界面形状具有如下效果，即在突起的这部分中，存在具有不同的弹性或弯曲强度的两种材料并且相互渗透(相互融合)。经发现，这种布置增加了这样的突起的粘附力并且还降低了坍塌的倾向。在本专利技术的一个实施方案中，包括端面的区域的最小垂直厚度相对于突起的高度的比率小于0.5、特别地小于0.3、特别是得小于0.1。结果是，在垂直厚度(例如对于弯曲的相界面)方面的改变特别强烈地影响粘附。最佳比率也可取决于弹性模量的比率以及界面的几何形状。端面的垂直高度应理解为端面距突起所位处的表面的距离。在本专利技术的一个实施方案中，包括端面的区域包括不超过50％的突起的体积、优选地不超过40％、30％或20％的突起的体积。优选地，独立于此，该区域包括至少15％、至少10％、或至少2％的突起的体积。在此，突起的体积应理解为从基面开始与端面所包围的体积，其包括任何加宽的端面。在本专利技术的一个实施方案中，曲率在端面的方向上是凸出的(凸状的，convex)，即相界面具有最大值。优选地，曲率为球形曲率，特别地具有本文档来自技高网...

【技术保护点】
固体的结构化的表面，其中所述表面具有包括多个突起的结构，所述突起各自包括至少一个主干以及背离所述表面的端面，其特征在于，所述主干在纵向上包括至少两个具有不同弹性模量的区域，其中至少两个区域彼此相邻并且形成相界面。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.03.17 DE 102015103965.61.固体的结构化的表面，其中所述表面具有包括多个突起的结构，所述突起各自包括至少一个主干以及背离所述表面的端面，其特征在于，所述主干在纵向上包括至少两个具有不同弹性模量的区域，其中至少两个区域彼此相邻并且形成相界面。2.如权利要求1中所述的结构化的表面，其特征在于，所述相界面不平行于相应突起的端面。3.如权利要求1或2中所述的结构化的表面，其特征在于，所述相界面具有曲率。4.如权利要求1至3中任一项所述的结构化的表面，其特征在于，所述突起具有至少3的长径比。5.如权利要求1至4中任一项所述的结构化的表面，其特征在于，所述突起通过膜连...

【专利技术属性】
技术研发人员：R亨塞尔，S费希尔，E阿茨特，
申请(专利权)人：新型材料莱布尼兹研究所公益性有限责任公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE