CN101531215B - 具有热可逆粘合剂的附着垫及其制造和使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有热可逆粘合剂的附着垫及其制造和使用方法。实施方案提供了附着垫，其包括多层热可逆粘合剂，该多层热可逆粘合剂包括形状记忆聚合物层和在该形状记忆聚合物层下面的干燥粘合剂层，当该形状记忆聚合物层低于其玻璃化转变温度并且不受载荷影响时，该多层热可逆粘合剂具有弯曲的表面；以及用于均匀地在多层热可逆粘合剂的周边施加载荷和/或分离力的装置，其包括弹簧。

Description

具有热可逆粘合剂的附着垫及其制造和使用方法
本申请主张2007年5月23日提交的美国临时申请60/939,683的权利。
技术领域
本公开一般所涉及的领域包括用于附着于物体上的垫及其制造和使用方法。
背景技术
上面具有纳米绒毛结构(nanohair structures)的壁虎的脚垫，是具有巧妙的干燥粘合剂(dry adhesives)的实例。壁虎抓着力的工作原理是那些纳米绒毛结构可以使脚垫与相对表面产生最大接触，而不管此表面的粗糙度和化学组成如何。这是由纳米绒毛实现的，这些纳米绒毛相对长并且从脚垫以一定角度突出，这样的话邻近的纳米绒毛就可以与相对表面接触而无论其表面形态(topography)怎样。所述最大接触进一步允许在壁虎脚垫和相对表面之间的以百万计的小范德华(van der Waals)(在微牛顿(microNewtons)范围之内)相互作用的积聚，导致约10N/cm2的总的粘附力(拉脱力)。然而，当以剥离模式使用分离力时，完全分离是通过克服与很小面积对应的小粘合力逐步实现的。因此，该粘附是易于撤销的。总的来说，壁虎粘附的魅力就在于以下的组合：粘附强度(10N/cm2)、可逆性以及就表面粗糙度和组成来说能够适用于各种表面的能力。上述壁虎粘附的独特特征激发了科学研究的动力以生产合成巧妙干燥粘合剂，其采用与壁虎脚爪一样的原理来工作。到目前为止，两种最好的合成壁虎粘合剂显示出对玻璃的最大拉脱强度是3和10N/cm2。这两种粘合剂都受到仅仅在一或两个附着/分离周期后就发生严重的粘附损失的困扰，这是由于所述纳米结构的破坏或者纳米结构的侧面塌陷(lateral collapse)造成的，并且后者是指邻近的纳米绒毛的结合。此外，典型的合成壁虎粘合剂的制造是昂贵的并且其大规模生产实践上太过困难。
发明内容
一个具体实施方案提供了附着垫(attachment pad)，其包括多层热可逆粘合剂(multilayer thermo-reversible adhesive)，该多层热可逆粘合剂含有形状记忆聚合物层和在该形状记忆聚合物层下面的干燥粘合剂层，当该形状记忆聚合物层在其玻璃化转变温度以下以及不受载荷(load)影响时，该多层热可逆粘合剂具有弯曲的表面；和用于均匀地施加载荷于该多层热可逆粘合剂周边(perimeter)的装置，该装置包括弹簧。
其他典型的本发明的具体实施方案通过下面的详细说明将变得显而易见。可以明确的是，所述详细说明和具体实施例，虽然公开了本发明的典型实施方案，但仅仅是为了进行例证说明，而不是对本发明范围的限制。
附图说明
本发明的典型具体实施方案通过详细描述和附图将被更完全的理解，其中：
图1是依据本发明的一个具体实施方案的附着垫的侧视图。
图2是依据本发明的一个具体实施方案的附着垫的俯视图。
图3A显示的是依据本发明的一个具体实施方案的方法。
图3B显示的是依据本发明的一个具体实施方案的方法。
图3C显示的是依据本发明的一个具体实施方案的方法。
具体实施方式
下面对具体实施方案的描述仅仅是示例性地，决不是对本发明、其应用或用途的限制。
现在参见图1-2，本发明的一个实施方案包括用以附着到另一个物体的附着垫10。该附着垫10可以位于机械臂(robot arm)的末端并且能够用以攀爬各种表面，如壁。可选择的，该附着垫10可以用于使一个物体附着于另一个物体之上，包括但不限于，机械臂对物体的附着以把该物体从一个位置移动到另一位置。
该附着垫10可以包括多层热可逆粘合剂18，该多层热可逆粘合剂18包含形状记忆聚合物层20和在形状记忆聚合物层20下面的干燥粘合剂层22。多个弹簧(springs)或者弹簧夹(spring clips)12可以连接到该多层热可逆粘合剂18，并且构造和设置为在适合的点施加载荷至该多层热可逆粘合剂18。该附着垫10可以包括任何适当数量的弹簧20。在一个具体实施方案中，该附着垫10可以包括四个弹簧20。在另一个具体实施方案中，该附着垫10可以包括两个弹簧20。所述弹簧或者弹簧夹12可以包含任何适当的金属或金属合金。
在一个具体实施方案中，弹簧12可以通过模塑连接到该多层热可逆粘合剂18。弹簧12可以通过桥14而连接在一起，该桥14也可以具有弹簧或者弹性特征。该桥14可以包含任何适合的材料。在一个具体实施方案中，每一对弹簧12都可通过桥14而连接在一起。棒16可以在中央位置处与桥14相连，以通过桥14以及连接的弹簧12在该多层热可逆粘合剂18的边缘均匀地施加力。该棒16可以包含任何适合的材料。在一个具体实施方案当中，棒16可以连接所有的桥14。按照需要，可以在弹簧12上提供加热元件26，或者电阻加热器元件(resistive heater element)可以覆盖该多层热可逆粘合剂18的至少一部分，以对其进行加热。在不同的实施方案当中，加热可以采用感应加热(induction heating)或者在形状记忆聚合物层20中的金属线(wires)来完成。
当形状记忆聚合物层20处于低于其玻璃化转变温度(Tg)的温度并且无载荷作用时，该多层热可逆粘合剂18可以具有弯曲的表面，尤其是其粘合剂层22。在不同的实施方案中，该形状记忆聚合物层20的Tg可以是25℃至200℃。
在一个具体实施方案中，如图3A-3C所示，提供对基材或者壁28形成结合的方法。图3A表示含有多层热可逆粘合剂18的附着垫10位于壁28之上。该多层热可逆粘合剂18被加热至形状记忆聚合物20的Tg以上的温度。通过棒16施加力并分配在所有的弹簧夹12上，在该热可逆粘合剂18周边提供均匀载荷以确保最大结合。图3B表示具有多层热可逆粘合剂18的附着垫10结合在壁28上。为从壁28分离，该多层热可逆粘合剂18被再次加热至高于形状记忆聚合物20的Tg，并且不存在通过弹簧12施加的载荷。可以通过弹簧12施加剥离力。如图3C所示，表面形状将回到其原始的自然弯曲状态，并且粘附撤销将得以实现。
因此，依照本发明的一个具体实施方案，提供由干燥粘合剂层22和形状记忆聚合物20的层组成的弯曲结构。通过加热至温度高于形状记忆聚合物的Tg，并在冷却至低于该Tg的温度的同时施加载荷，该双层结构与基材形成强粘附结合，拉脱力大于60N/cm2，所述基材例如但不限于不锈钢基材。这种强结合可以通过把该弯曲的结构加热至高于所述形状记忆聚合物的Tg的温度而自动的解除。
本发明的一个具体实施方案包括自动机械(robot)，该自动机械具有在机械臂或机械腿尖端的包括多层热可逆粘合剂18的附着垫10。可以提供加热和/或冷却金属线(heating and/or cooling wire)并被嵌入至机械臂中或者仅附着到所述干燥粘合剂。为了拾起部件，该多层热可逆粘合剂18可以通过短暂的电流进行加热并然后按压于目标部件以产生接触。该多层热可逆粘合剂18可以通过自然冷却进行冷却或者通过使用冷却金属线进行冷却。这导致拉脱力为约60N/cm2的强粘附结合的形成，但是其可以根据部件的不同而变化。所述机械臂可以被操控以将部件传送至目标位置。该部件可以通过采用电流再次加热所述干燥粘合剂而释放。在一个实施方案中，分离只需要约0.5N/cm2的相对较小的力。
在另一个实施方案中，可以采用能够进行加热和冷却的Peltier热电设备(Peltier thermal electric device)来加热和冷却所述热可逆干燥粘合剂。该Peltier设备可以包括PN结(PN junction)并可以被构造和设置，以便于电流以一个方向流过该PN结导致该设备加热其一侧，以及电流以相反方向流过该PN结导致其一侧冷却该设备。
本发明的另一个实施方案包括使用多于一个活动臂或腿的移动或攀爬设备，所述活动臂或腿在其上具有包括所述多层热可逆粘合剂18的附着垫10。可以提供用于加热和/或冷却该热可逆干燥粘合剂的装置，例如，但不限于，加热金属线或者冷却金属线或者Peltier设备。为了将所述臂或腿附着于目标相对表面(例如壁)上，可以用通过加热金属线的短暂电流对所述干燥粘合剂进行加热，并且使该粘合剂与所述壁接触。该粘合剂通过自然冷却或者采用冷却金属线或者Peltier设备被冷却，以便与所述壁形成强结合。为了使所述臂或者腿与该壁分离，该干燥粘合剂被又一次加热并且施加相对较小的拉脱或者剥离力。
对于整个设备的攀爬，其涉及数个步骤。在一个具体实施方案中，该设备可以具有两个臂。第一臂与壁分离而第二臂附着于该壁。第一臂移动到新的位置并附着于该壁。第二臂与壁分离并且在壁上向上移动并与之附着。第一臂与壁分离并在壁上向上移动并与之附着。重复该过程以使得该装置沿壁攀爬。
所述粘合剂层可以提供连续的接触表面，或者所述粘合剂层可以包括许多的间隔隔开的(spaced apart)指状物，每个指状物都提供相对较小的接触表面，这样的话所述粘合层的总接触表面是不连续的。
本发明的另一个具体实施方案包括一种方法，该方法包括加热附着垫10，该附着垫10包括在室温下具有弯曲结构的多层热可逆粘合剂18，和向该粘合剂施加载荷以使得该粘合剂粘附到下面的基材上，以使该粘附的粘合剂具有大于10N/cm2的拉脱力，以及此后使该粘合剂分离，包括将该粘合剂加热到高于形状记忆聚合物层的玻璃化转变温度的温度以使该粘合剂返回到弯曲的结构。
在不同的实施方案中，所述干燥粘合剂层可以是环氧弹性体干燥粘合剂(epoxy elastomeric dry adhesive)。在不同的具体实施方案中，所述形状记忆聚合物层可以是环氧形状记忆聚合物。在不同的实施方案中，所述干燥粘合剂的组分或者所述形状记忆聚合物的组分可以包括刚性环氧树脂(rigid epoxy)和柔性环氧树脂(flexible epoxy)。可以被用来得到干燥粘合剂或者形状记忆聚合物的可能的交联化学的范围可以包括α(alpha)，ω(omega)-二氨基烷烃，有机多元羧酸酸酐，或者催化(例如咪唑类型)交联反应。存在着许多种不同的方式来实现分子性能之间的恰当的关联。例如，所述干燥粘合剂或者形状记忆聚合物可以包括刚性的环氧树脂，环氧填充剂(epoxy extender)以及交联剂；或者刚性的环氧树脂，柔性的交联剂，以及柔性的环氧树脂；或者刚性的环氧树脂，刚性的交联剂，以及柔性的环氧树脂；或者刚性的环氧树脂，柔性的环氧树脂，以及催化固化剂；或者刚性的环氧树脂，交联剂，以及稀释剂；或者柔性的环氧树脂，交联剂，以及稀释剂；或者刚性的环氧树脂和柔性的交联剂；或者柔性的环氧树脂和催化固化剂；或者柔性的环氧树脂和交联剂；和其中所述刚性环氧树脂是具有至少两个环氧基团的芳香族环氧树脂，所述柔性环氧树脂是具有至少两个环氧基团的脂肪族环氧树脂，所述环氧填充剂具有一个环氧基团，以及所述交联剂是多胺、有机多元羧酸或者酸酐中的一种，并且所述稀释剂是一元胺或者单羧酸。在不同的具体实施方案中，所述催化固化剂(或者催化固化)促进环氧与环氧或者环氧与羟基的反应。所述催化固化剂可以包括，但不限于，叔胺，胺盐，三氟化硼络合物，或者胺硼酸盐类。在一个具体实施方案中，所述干燥粘合剂的组分可以以这样的量存在，其中当该组合物固化时，所述量足以提供玻璃化转变温度(Tg)为-90℃至200℃并且从基材上的拉脱强度为1-200N/cm2的干燥粘合剂。在另外一个实施方案中，所述干燥粘合剂可具有-90℃至25℃的玻璃化转变温度。在一个实施方案中，所述形状记忆聚合物组合物的组分可以以这样的数量存在，其中当该组合物固化时，所述量足以提供在其玻璃化转变前后其储能模量具有2到3个数量级的变化的环氧形状记忆聚合物。
本发明的一个具体实施方案包括具有第一层和第二层的多层热可逆干燥粘合剂，该第一层由芳香族二环氧化物(aromatic diepoxide)(刚性环氧树脂)，脂肪族二环氧化物(aliphatic diepoxy)(柔性环氧树脂)和二胺固化剂制成，以及该第二层由脂肪族二环氧化物和胺制成。在一个具体实施方案中，所述多层热可逆干燥粘合剂具有弯曲的结构。
在不同的本发明的实施方案中，可以采用许多种形状记忆聚合物。例如，从Tg为约90℃的典型的芳香族二环氧化物/二胺体系开始，该芳香族环氧组分系统地被脂肪族二环氧组分替代，得到Tg范围为从3℃至90℃的一系列的环氧形状记忆聚合物。这样，如操作于特定温度范围之中的特定应用所需要的那样，可以特制用于干燥粘合剂的形状记忆聚合物。
一些实施方案涉及到多层环氧树脂干燥粘合剂。应该理解的是可以采用多于两层。例如，可以有两或更多层的形状记忆聚合物层，其可以是并排关系或者是叠加关系。同样地，可以有两或更多个处于并排关系或者叠加关系的干燥粘合剂层。这样，可以制造具有定制的或者特制的性能的设备。
本发明的一个实施方案包括制造多层热可逆干燥粘合剂的方法，其包括将3.6g的EPON 826(双酚A的二缩水甘油醚环氧单体)加热至约75℃，并将其与2.16g新戊二醇二缩水甘油醚(NGDE)以及2.3g Jeffamine D-230混合，其为固化剂聚(丙二醇)二(2-氨基丙基)醚。Jeffamine D-230是聚醚胺，其是平均分子量为约230的双官能伯胺。所述伯胺基团处在脂肪族聚醚链末端的仲碳原子上。Jeffamine可以从Huntsman获得。
然后将该混合物倒入到一铝盘中并在一烘箱中在约100℃固化1.5小时。然后，将2.6gNGDE与1.15g胺，如Jeffamine D-230的混合物倒入该铝盘中，位于首先固化的环氧树脂层之上，并在100℃固化1.5小时。在第三步骤中，将该烘箱的温度升高至130℃，后固化约一小时。在后固化结束之时，该固化的双层环氧树脂被脱模。得到双层环氧树脂，第一层的厚度为约2mm并且作为形状记忆聚合物，玻璃化转变温度为约45℃，以及第二层作为干燥粘合剂，其厚度为约1mm。所得到的双层环氧树脂结构具有轻微的弯曲结构，这是由于第一层和第二层之间的热不匹配造成的。该弯曲还可以通过特殊设计的模具产生，从而得到所述弯曲的结构。
上述对本发明具体实施方案的描述仅仅是示例性的，因此，其变体不能被认为是偏离了本发明的精髓和范围。

Claims (18)

1.包括附着垫的产品，
其中所述附着垫包括：
多层热可逆粘合剂，该多层热可逆粘合剂包括形状记忆聚合物层和在该形状记忆聚合物层下面的干燥粘合剂层，当所述形状记忆聚合物层低于其玻璃化转变温度并且不受载荷影响时，该多层热可逆粘合剂具有弯曲的表面；和，
用于均匀地施加载荷于该多层热可逆粘合剂周边的装置，其包括弹簧。
2.如权利要求1所述的产品，进一步包括至少一个其他弹簧，以及连接所述弹簧们以用于将均匀载荷施加至多层热可逆粘合剂的周边的桥。
3.如权利要求2所述的产品，进一步包括连接到所述桥以用于将载荷施加于该桥的棒。
4.如权利要求1所述的产品，其中所述弹簧被模塑到所述多层热可逆粘合剂之中。
5.如权利要求1所述的产品，其中所述弹簧包括加热元件。
6.如权利要求1所述的产品，其中所述干燥粘合剂层包括：
刚性环氧树脂或者柔性环氧树脂的至少一种；和
交联剂或者催化固化剂的至少一种；
其中该刚性环氧树脂是具有至少两个环氧基团的芳香族环氧树脂，该柔性环氧树脂是具有至少两个环氧基团的脂肪族环氧树脂，并且该交联剂是多胺、有机多元羧酸或者酸酐中的一种。
7.如权利要求1所述的产品，其中该形状记忆聚合物层包括：
刚性环氧树脂或者柔性环氧树脂的至少一种；和
交联剂或者催化固化剂的至少一种；
其中该刚性环氧树脂是具有至少两个环氧基团的芳香族环氧树脂，该柔性环氧树脂是具有至少两个环氧基团的脂肪族环氧树脂，并且该交联剂是多胺、有机多元羧酸或者酸酐中的一种。
8.具有不限制多层热可逆粘合剂的形状恢复的机械设计的设备，该设备的粘附可逆性依赖基于所述多层热可逆粘合剂，该多层热可逆粘合剂包括形状记忆聚合物层和在该形状记忆聚合物层下面的干燥粘合剂层，当所述形状记忆聚合物层低于其玻璃化转变温度并且不受载荷影响时，该多层热可逆粘合剂具有弯曲的表面。
9.移动物体的方法，包括：
提供具有包括附着垫的机械臂的自动机械，所述附着垫包括在其上面的热可逆干燥粘合剂，和包含弹簧的用于向该热可逆干燥粘合剂施加载荷的装置，加热该干燥粘合剂并且对着预定部件按压该粘合剂以制造接触，并且冷却该粘合剂从而形成具有大于10N/cm2的拉脱力的强粘附结合，控制该机械臂以将该部件传送至目标位置，和释放该部件，包括再次加热该干燥粘合剂和使用不大于0.5N/cm2的力以使得机械臂从该部件分离。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述附着垫进一步包括至少一个其他弹簧，以及连接所述弹簧们以用于将均匀载荷施加至多层热可逆粘合剂的周边的桥。
11.如权利要求10所述的方法，其中该附着垫进一步包括连接到所述桥以用于将载荷施加于该桥的棒。
12.如权利要求9所述的方法，其中该热可逆粘合剂包括形状记忆聚合物层和在该形状记忆聚合物层上面的干燥粘合剂层，和其中当该形状记忆聚合物层低于其玻璃化转变温度并且没有载荷施加于其上时，该形状记忆聚合物层和干燥粘合剂层具有弯曲的结构。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述形状记忆聚合物层包括：
刚性环氧树脂或者柔性环氧树脂的至少一种；和
交联剂或者催化固化剂的至少一种；
其中该刚性环氧树脂是具有至少两个环氧基团的芳香族环氧树脂，该柔性环氧树脂是具有至少两个环氧基团的脂肪族环氧树脂，并且该交联剂是多胺、有机多元羧酸或者酸酐中的一种。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述干燥粘合剂层包括：
刚性环氧树脂或者柔性环氧树脂的至少一种；和
交联剂或者催化固化剂的至少一种；
其中该刚性环氧树脂是具有至少两个环氧基团的芳香族环氧树脂，该柔性环氧树脂是具有至少两个环氧基团的脂肪族环氧树脂，并且该交联剂是多胺、有机多元羧酸或者酸酐中的一种。
15.使用附着垫的方法，包括：
提供攀爬设备，该攀爬设备包括至少一个活动臂或腿和附着于所述活动臂或腿上的附着垫，该附着垫包括热可逆干燥粘合剂，该热可逆干燥粘合剂包括形状记忆聚合物层和在该形状记忆聚合物层之上的干燥粘合剂层，用于加热和冷却该热可逆干燥粘合剂的装置，以及用于向该热可逆干燥粘合剂施加压力的包括弹簧的装置；
加热该热可逆干燥粘合剂使得该形状记忆聚合物处于高于其玻璃化转变温度的温度，并且将该附着垫放置在壁上并且通过所述弹簧向该热可逆干燥粘合剂施加压力，和冷却该热可逆干燥粘合剂使得所述附着垫附着到该壁上；和
将所述垫从所述壁分离，包括加热该热可逆干燥粘合剂层和施加相对较小的拉脱力或者剥离力以将该垫从壁上除去。
16.如权利要求15所述的方法，其中当所述形状记忆聚合物层在低于其玻璃化转变温度的温度并且没有载荷施加于其上而处于原始形状时，所述形状记忆聚合物层和在其上面的干燥粘合剂层各自具有弯曲的表面。
17.如权利要求15所述的方法，其中所述形状记忆聚合物层包括：
刚性环氧树脂或者柔性环氧树脂的至少一种；和
交联剂或者催化固化剂的至少一种；
其中该刚性环氧树脂是具有至少两个环氧基团的芳香族环氧树脂，该柔性环氧树脂是具有至少两个环氧基团的脂肪族环氧树脂，并且该交联剂是多胺、有机多元羧酸或者酸酐中的一种。
18.如权利要求15所述的方法，其中所述干燥粘合剂层包括：
刚性环氧树脂或者柔性环氧树脂的至少一种；和
交联剂或者催化固化剂的至少一种；
其中该刚性环氧树脂是具有至少两个环氧基团的芳香族环氧树脂，该柔性环氧树脂是具有至少两个环氧基团的脂肪族环氧树脂，并且该交联剂是多胺、有机多元羧酸或者酸酐中的一种。
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