CN106118537A - 高负载易剥离延长使用的粘合装置 - Google Patents

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A·B·克罗尔
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University of Massachusetts UMass
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Abstract

本发明提供高负载易剥离延长使用的粘合装置及其制造方法。本发明的技术领域总体地涉及用于承重的设计、装置、材料和方法。更具体地，本发明涉及提供高负载、易剥离和适于在各种应用中延长/重复使用的粘合装置的设计、装置、体系、材料和制造方法。本发明的可剥离的表面粘合装置包含：粘合垫，其包含：具有高面内硬度的平面背衬层；弹性材料的平面层，其在至少一侧上具有用于粘合至目标表面的粘合表面，其中在至少与所述粘合表面相反的侧上，所述弹性材料浸渍到所述背衬层上；和连接至所述粘合垫的系接组件。

Description

高负载易剥离延长使用的粘合装置
本申请是申请号为201180061283.5、申请日为2011年10月21日、名称为“高负载易剥离延长使用的粘合装置”的专利申请的分案申请。
政府权利
按照海军部给予马萨诸塞大学的授权号N66001-08-C-2054，美国政府对本发明具有一定的权利。
发明的技术领域
本发明总体地涉及用于承重的设计、装置、材料和方法。更具体地，本发明涉及提供高负载、易剥离(release)和适于在各种应用中延长/重复使用的粘合装置的设计、装置、体系、材料和制造方法。
发明背景
通常会寻找可以支撑高负载的粘合材料。压敏型粘合剂(PSA)是自粘合剂，其在施加压力时形成粘合以使粘合剂与被粘物结合在一起。通常，不需要溶剂、水或热来激活或刺激粘合剂来进行。常规的PSA已经发现用于压敏型胶带、标签、便签本、汽车内饰和各种各样的其他产品中。科学界已经持续努力来形成和生产模拟自然界动物(如，壁虎)性能的合成材料和装置。
PSA通常依赖于普遍存在的表面力相互作用，如范德华力，以在界面上转移应力。压敏型粘合剂可以粘附在表面上，因为粘合剂柔软得足以在被粘物上流动或润湿被粘物。当应力施加于界面的粘合时，粘合剂需要足够硬，以抵抗流动。PSA呈现出粘弹(粘性和弹性)特性，这两者可用于形成适当的粘合。
目前，主要从软的、粘弹性的聚合物材料(例如，涂层)制得PSA，其可以单独使用或结合基材(如硬膜或织物)一起使用。为了控制粘合的水平，PSA通过依赖于弹性和粘弹性成分二者的复杂制剂来精密地平衡材料形成界面(或“润湿表面”)和一旦形成界面抵抗分离的能力，从而改变了它们的本体性质。(Benedek等编辑，2009Handbook of PressureSensitive Adhesives and Products Series，CRC Press:Boca Raton；Pocius，2002，Adhesion and Adhesives Technology:An Introduction，Hanser Publ:Munich；Crosby等，1999J.Poly.Sci.Part B:Polym.Phys.37，24，3455-3472；Creton，2003“MaterialsScience of Adhesives:How to Bond Things Together.”，MRS Bulletin 28,6,419-421；Creton，2003“Pressure-sensitive adhesives:An introductory course.”，MRSBulletin 28，6，434-439；Creton等2007“Sticky Feet:From Animals to Materials”，MRSBulletin 32，6，所有页数；Chan等2007“Designing Model Systems for EnhancedAdhesion.”，MRS Bulletin 32，6，496-503；Boesel等2010Advanced Materials 22，19，2125-2137.)
在PSA设计的各个方面中，三个因素通常是相关的并且被强调：(1)常规PSA是粘弹性的，使得聚合物涂层容易与粗糙表面相符，同时消散保形需要的机械能(即，压力)；(2)用于强PSA材料的测量值是粘着能，其是PSA/基底界面分离过程中消散的总能量；(3)由于用于生产高水平粘性粘着性的不可逆(即，无弹性)材料工艺，高粘性PSA通常不会有助于多次负载应用。
为了开发克服常规PSA的一些缺点的粘合材料体系，大量研究已经聚焦于类壁虎(gecko-like)的粘合体系的开发。下表中提供了常规PSA和理想的类壁虎的粘合剂二者的一些关键属性：
此外，壁虎的粘合表面和自然界中类似实例通常描述为“干的”，即，粘合不依赖于液体相互作用、类似环氧树脂的液体-至-固体转变，粘合表面也没有感觉到类似常规粘弹性粘合剂那样的“发粘”触感。尽管这样的属性是已知的并且呈现在自然界中，但允许良好控制特性的主要设计因素或机理是未知的并且仍然是目前全世界研究项目的主题。据我们所知，尚未证实类壁虎粘合剂的合成类似物的开发，特别是以宏观长度尺度来使用的。
对可以用于容易粘附并支撑高负载且提供简单、非损害性剥离和重复使用并同时生产成本效率合算的粘合体系的设计、体系、装置、材料和相关制造方法存在显著和不断上升的需求。
发明概述
本发明提供了可用于粘附各种表面并且允许承受显著重量的独特的可剥离粘合装置。本文公开的材料、设计、体系以及相关的制造和生产方法提供了具有高负载能力、可再使用、易剥离和适用于延长和重复使用的粘合装置。可以将本文公开的粘附垫设计成例如适合多种应用，如家用承重架和支架、用于室内和室外攀爬装置的组件、用于运输的组件、运动设备、标签和广告张贴画、汽车内饰、永久性或可逆的紧固件以及用于工业、商业、医疗或军事设施的装置和器件。
在一个方面中，本发明总体地涉及一种可剥离的表面粘合装置。该装置包括粘合垫和连接至粘合垫的系接(tether)组件。该粘合垫包括：具有高面内硬度的平面背衬层；和在至少一侧上具有用于粘附目标表面的粘合表面的弹性材料平面层，其中在至少与所述粘合表面相反的侧上，将所述弹性材料浸渍到所述背衬层上。在某些优选实施方式中，该装置还包含用于承重的支撑组件。该支撑组件可连接到系接组件，用于将物体连接到所述装置。
在另一个方面中，本发明总体地涉及一种可剥离的表面粘合装置。该装置包括：包含弹性材料以及在一侧上具有用于粘合到目标表面上的粘合表面和另一侧上具有高面内硬度背衬层的平面层，其中所述弹性材料浸渍到织物背衬层中；和可连接到所述背衬层的支撑组件，用于将物体连接至装置。背衬层的一部分延伸超出弹性材料层，以形成未浸渍有弹性材料的背衬层区域，并且支撑组件部件在背衬层未浸渍有弹性材料的区域连接至所述背衬层。
在再另一个方面中，本发明总体地涉及一种可剥离、可再使用的表面粘合装置。该装置包括粘合垫，该粘合垫具有弹性材料的平面层，其在一侧上具有用于粘合至目标表面的粘合表面；和具有高面内硬度的平面背衬层，其中所述背衬层在与光滑粘合表面相反的侧上浸渍至弹性材料层上。该装置还包括基本上在粘合垫的中心处连接到粘合垫的系接组件，并且允许调节系接组件和粘合垫之间的角度为约0°至约359°。
在再另一个方面中，本发明总体地涉及一种可剥离的表面粘合装置。该装置包括粘合垫，其具有弹性材料的平面层，其在用于粘合至目标表面的一侧上具有在显微镜下光滑或图案化的粘合表面；和具有高面内硬度的平面背衬层，其中背衬层在与光滑粘合表面相反的侧上浸渍到弹性材料层上。该装置还包括连接至粘合垫的系接组件；和用于承重的支撑组件。支撑组件可连接至系接组件，用于将物体连接至装置。
在再另一个方面中，本发明总体地涉及一种用于在表面上可剥离地支撑重量的方法。该方法包括：(a)提供可剥离的表面粘合装置，该装置具有粘合垫，其包含在用于粘合至目标表面的一侧上具有在显微镜下光滑的粘合表面的弹性材料的平面层；和具有高面内硬度的平面织物背衬层，其中在与光滑表面相反的侧上，织物背衬层浸渍到弹性材料层上；连接至粘合垫的织物系接组件；以及可连接至织物系接组件的用于承重的支撑组件，用于将物体连接至装置上；和(b)将重量连接至支撑组件上。
在再另一个方面中，本发明涉及一种制备可剥离的表面粘合装置的方法。该方法包括：(a)提供弹性材料；(b)提供织物背衬片；(c)固化弹性材料，以将弹性材料浸渍到至少一部分织物背衬片内，以形成具有弹性材料层的垫，该弹性材料层具有光滑粘合表面；(d)将重量支撑组件连接至织物背衬片。弹性材料具有约0.05Mpa至约50Mpa的弹性，并且弹性材料层具有约0.0001cm至约0.1cm的厚度。
在再另一个方面中，本发明总体地涉及一种制备可剥离的表面粘合装置的方法。该方法包括：(a)提供织物背衬片，在其一侧上放置基底层；(b)在织物背衬片的另一侧上，提供隔片限定的成型区域；(c)将弹性材料加入至织物背衬片的隔片限定的成型区域内；(d)用具有显微镜下光滑或图案化的表面的顶覆盖层覆盖弹性材料；(e)对顶覆盖层施加压力，使得顶垫与弹性材料之间形成紧密的界面；(f)固化弹性材料，以将弹性材料浸渍到至少一部分织物背衬片内，以形成具有弹性材料层的垫，所述弹性材料层具有显微镜下光滑或图案化的粘合表面；和(g)将重量支撑组件连接至织物背衬片。弹性材料具有约0.05Mpa至约50Mpa的弹性，并且弹性材料层具有约0.0001cm至约0.1cm的厚度。
本申请还涉及以下项目：
1.一种可剥离的表面粘合装置，其包含：
粘合垫，其包含：
具有高面内硬度的平面背衬层；
弹性材料的平面层，其在至少一侧上具有用于粘合至目标表面的粘合表面，其中在至少与所述粘合表面相反的侧上，所述弹性材料浸渍到所述背衬层上；和
连接至所述粘合垫的系接组件。
2.项目1的可剥离的表面粘合装置，还包含用于承载负载的支撑组件，所述支撑组件可连接至系接组件，用于将物体连接至所述装置。
3.项目1的可剥离的表面粘合装置，其中所述粘合垫包含：
弹性材料的平面层，其在一侧上具有用于粘合至目标表面的粘合表面；和
具有高面内硬度的平面背衬层，其中在与所述粘合表面相反的侧上，所述背衬层浸渍到所述弹性材料层上。
4.项目1的可剥离的表面粘合装置，其中所述粘合表面在显微镜下是光滑的。
5.项目1的可剥离的表面粘合装置，其中所述粘合表面在显微镜下是图案化的。
6.项目1的可剥离的表面粘合装置，其中所述背衬层是织物背衬层。
7.项目4的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料的平面层具有大于约0.01cm2的光滑粘合表面积和具有基本上均匀的小于约0.0001cm的厚度。
8.项目4的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料的平面层具有大于约0.2cm2的光滑粘合表面积和具有基本上均匀的小于约0.5cm的厚度。
9.项目8的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料的平面层具有大于约0.5cm2的光滑粘合表面积和具有基本上均匀的小于约0.2cm的厚度。
10.项目9的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料的平面层具有大于约1.0cm2的光滑粘合表面积和具有基本上均匀的小于约0.1cm的厚度。
11.项目10的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料的平面层具有大于约5.0cm2的光滑粘合表面积和具有基本上均匀的小于约0.05cm的厚度。
12.项目11的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料的平面层具有大于约10cm2的光滑粘合表面积和具有基本上均匀的小于约0.02cm的厚度。
13.项目12的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料的平面层具有大于约100cm2的光滑粘合表面积和具有基本上均匀的小于约0.01cm的厚度。
14.项目13的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料的平面层具有约0.01cm2至约1000cm2的光滑粘合表面积和具有基本上均匀的约0.0001cm至约0.5cm的厚度。
15.项目6的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料具有约0.05MPa至约50MPa的弹性。
16.项目15的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料具有约0.05MPa至约30MPa的弹性。
17.项目16的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料具有约0.05MPa至约10MPa的弹性。
18.项目15的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料具有约1MPa至约50MPa的弹性。
19.项目18的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料具有约1MPa至约30MPa的弹性。
20.项目19的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料具有约1MPa至约10MPa的弹性。
21.项目6的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料包含基于硅氧烷的弹性体。
22.项目6的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料包含基于尿烷的弹性体。
23.项目6的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料包含基于丙烯酸酯的弹性体。
24.项目21的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料包含聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
25.项目22的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料包含由端羟基的聚乙二醇与基于脂肪族或芳香族的多异氰酸酯的聚合制备的聚氨酯。
26.项目6的可剥离的表面粘合装置，其中所述织物背衬层的材料包含天然织物材料或合成织物材料。
27.项目26的可剥离的表面粘合装置，其中所述天然织物材料选自棉、大麻、羊毛、丝、竹纤维、纤维素、黄麻或凤梨麻。
28.项目26的可剥离的表面粘合装置，其中所述合成织物材料是聚酯、斯潘德克斯弹性纤维、尼龙、碳纤维、聚芳酰胺、碳纤维聚芳酰胺混合物、碳纤维玄武岩混合物、玻璃纤维、碳纤维、或玻璃纤维混合物的织物。
29.项目26的可剥离的表面粘合装置，其中所述织物背衬层的材料包含选自尼龙、碳纤维、聚芳酰胺、碳纤维、和聚芳酰胺混合物的材料。
30.项目6的可剥离的表面粘合装置，其具有100cm2或更大的粘合表面积并且能够承载至少1200N/100cm2粘合表面积的重量。
31.项目30的可剥离的表面粘合装置，其具有100cm2或更大的粘合表面积并且能够承载至少3150N/100cm2粘合表面积的重量。
32.项目6的可剥离的表面粘合装置，其具有1cm2或更大的粘合表面积并且能够承载至少12N/1cm2粘合表面积的重量。
33.项目32的可剥离的表面粘合装置，其具有1cm2或更大的粘合表面积并且能够承载至少31.5N/1cm2粘合表面积的重量。
34.项目1的可剥离的表面粘合装置，其中系接组件是织物材料。
35.项目34的可剥离的表面粘合装置，其中所述织物材料是选自聚酯、斯潘德克斯弹性纤维、尼龙、碳纤维、聚芳酰胺、碳纤维聚芳酰胺混合物、碳纤维玄武岩混合物、玻璃纤维、碳纤维、或玻璃纤维混合物的合成织物。
36.项目1的可剥离的表面粘合装置，其中所述系接组件是非织物材料。
37.项目36的可剥离的表面粘合装置，其中所述非织物材料选自绳、绳缆、纤维、塑料片、管、杆、金属箔、链。
38.项目1的可剥离的表面粘合装置，其中所述系接组件是皮革材料。
39.一种可剥离的表面粘合装置，其包含：
包含弹性材料的平面层，所述平面层在一侧上具有用于粘合至目标表面的粘合表面，而在另一侧上具有高面内硬度的背衬层，其中所述弹性材料浸渍到所述背衬层中；和
可连接至所述背衬层的支撑组件，用于将物体连接至所述装置，
其中所述背衬层的一部分延伸超过所述弹性材料层，以形成未浸渍有所述弹性材料的所述背衬层的区域，并且其中所述支撑组件在所述背衬层未浸渍有所述弹性材料的这样的区域处连接至所述背衬层。
40.项目39的可剥离的表面粘合装置，其中所述粘合表面在显微镜下是光滑的。
41.项目39的可剥离的表面粘合装置，其中所述粘合表面在显微镜下是图案化的。
42.项目39的可剥离的表面粘合装置，其中所述背衬层是织物背衬层。
43.项目42的可剥离的表面粘合装置，其中所述织物背衬层是合成材料，所述合成材料选自聚酯、斯潘德克斯弹性纤维、尼龙、碳纤维、聚芳酰胺、碳纤维聚芳酰胺混合物、碳纤维玄武岩混合物、玻璃纤维、碳纤维、或玻璃纤维混合物的合成织物。
44.项目42的可剥离的表面粘合装置，其中所述织物背衬层是选自天然织物的非合成织物材料，所述天然织物选自棉、大麻、羊毛、丝、竹纤维、纤维素、黄麻、和凤梨麻。
45.项目39的可剥离的表面粘合装置，其中所述背衬层是非织物背衬层。
46.项目45的可剥离的表面粘合装置，其中所述非织物背衬层包含选自皮革、金属箔、塑料片、陶瓷膜或复合有机或无机基材的材料。
47.项目46的可剥离的表面粘合装置，其中所述非织物材料是皮革材料。
48.项目39的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料层具有基本上圆的外边缘。
49.项目39的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料层具有基本上矩形的外边缘。
50.项目39的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料层具有基本上不规则的外边缘。
51.项目39的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料层具有基本上椭圆形的外边缘。
52.项目39的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料层包含两个或更多个分开的较小的弹性材料层单元。
53.项目40的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料的平面层具有大于约0.2cm2的光滑粘合表面积和具有基本上均匀的小于约0.5cm的厚度。
54.项目53的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料的平面层具有大于约0.5cm2的光滑粘合表面积和具有基本上均匀的小于约0.2cm的厚度。
55.项目54的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料的平面层具有大于约1.0cm2的光滑粘合表面积和具有基本上均匀的小于约0.1cm的厚度。
56.项目55的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料的平面层具有大于约5.0cm2的光滑粘合表面积和具有基本上均匀的小于约0.05cm的厚度。
57.项目56的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料的平面层具有大于约10cm2的光滑粘合表面积和具有基本上均匀的小于约0.02cm的厚度。
58.项目57的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料的平面层具有大于约100cm2的光滑粘合表面积和具有基本上均匀的小于约0.01cm的厚度。
59.项目40的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料的平面层具有约0.01cm2至约1000cm2的光滑粘合表面积和具有基本上均匀的约0.001cm至约0.5cm的厚度。
60.项目39的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料具有约0.05MPa至约50MPa的弹性。
61.项目60的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料具有约0.05MPa至约30MPa的弹性。
62.项目61的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料具有约0.05MPa至约10MPa的弹性。
63.项目62的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料具有约1MPa至约50MPa的弹性。
64.项目63的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料具有约1MPa至约30MPa的弹性。
65.项目64的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料具有约1MPa至约10MPa的弹性。
66.项目39的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料包含基于硅氧烷的弹性体。
67.项目39的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料包含基于尿烷的弹性体。
68.项目39的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料包含基于丙烯酸酯的弹性体。
69.项目66的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料是聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
70.项目66的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料是嵌段共聚物弹性体。
71.项目66的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料是天然橡胶。
72.项目67的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料包含由端羟基的聚乙二醇与基于脂肪族或芳香族的多异氰酸酯聚合制备的聚氨酯。
73.项目39的可剥离的表面粘合装置，其中所述织物背衬层的材料选自尼龙、碳纤维、聚芳酰胺、碳纤维和聚芳酰胺混合物。
74.项目39的可剥离的表面粘合装置，其具有100cm2或更大的粘合表面积并且能够承载至少1200N/100cm2粘合表面积的重量。
75.项目39的可剥离的表面粘合装置，其具有100cm2或更大的粘合表面积并且能够承载至少3150N/100cm2粘合表面积的重量。
76.项目39的可剥离的表面粘合装置，其具有1cm2或更大的粘合表面积并且能够承载至少12N/1cm2粘合表面积的重量。
77.项目39的可剥离的表面粘合装置，其具有1cm2或更大的粘合表面积并且能够承载至少31.5N/1cm2粘合表面积的重量。
78.一种可剥离的、可重复使用的表面粘合装置，其包含：
粘合垫，其包含：
弹性材料的平面层，其在一侧上具有用于粘合至目标表面的粘合表面；和
具有高面内硬度的平面背衬层，其中在与所述粘合表面相反的侧上，所述背衬层浸渍到所述弹性材料层上；
基本上远离边缘在所述粘合垫的中心处连接至所述粘合垫的系接组件，并且允许调节所述系接组件和所述粘合垫之间的角度为约0°至约359°。
79.项目78的可剥离的表面粘合装置，其中所述系接组件基本上在所述粘合垫的中心处连接至所述粘合垫。
80.项目78的可剥离的表面粘合装置，其中所述粘合表面在显微镜下是光滑的。
81.项目78的可剥离的表面粘合装置，其中所述粘合表面在显微镜下是图案化的。
82.项目78的可剥离的表面粘合装置，其中在所述平面织物系接组件和所述粘合垫之间的可调节角为约0°至约90°。
83.项目78的可剥离的表面粘合装置，其中在所述平面织物系接组件和所述粘合垫之间的可调节角为约90°至约120°。
84.项目78的可剥离的表面粘合装置，其中在所述平面织物系接组件和所述粘合垫之间的可调节角为约120°至约360°。
85.项目78的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料的平面层具有基本上圆的外边缘。
86.项目78的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料的平面层具有基本上矩形的外边缘。
87.项目80的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料的平面层具有大于约0.5cm2的光滑粘合表面积和具有基本上均匀的小于约0.2cm的厚度。
88.项目87的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料的平面层具有大于约1.0cm2的光滑粘合表面积和具有基本上均匀的小于约0.1cm的厚度。
89.项目88的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料的平面层具有大于约5.0cm2的光滑粘合表面积和具有基本上均匀的小于约0.05cm的厚度。
90.项目89的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料的平面层具有大于约10cm2的光滑粘合表面积和具有基本上均匀的小于约0.02cm的厚度。
91.项目90的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料的平面层具有大于约100cm2的光滑粘合表面积和具有基本上均匀的小于约0.01cm的厚度。
92.项目80的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料的平面层具有约10cm2至约100cm2的光滑粘合表面积和具有基本上均匀的约0.01cm至约0.05cm的厚度。
93.项目78的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料具有约0.05MPa至约50MPa的弹性。
94.项目93的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料具有约0.05MPa至约30MPa的弹性。
95.项目94的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料具有约0.05MPa至约10MPa的弹性。
96.项目95的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料具有约1MPa至约50MPa的弹性。
97.项目96的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料具有约1MPa至约30MPa的弹性。
98.项目97的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料具有约1MPa至约10MPa的弹性。
99.项目78的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料选自基于硅氧烷的弹性体、基于尿烷的弹性体和基于丙烯酸酯的弹性体。
100.项目99的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料是聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
101.项目99的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料包含由端羟基的聚乙二醇与基于脂肪族或芳香族的多异氰酸酯聚合制备的聚氨酯。
102.项目78的可剥离的表面粘合装置，其中所述平面背衬层是织物层，并且其中所述系接组件是织物材料。
103.项目78的可剥离的表面粘合装置，其中所述平面背衬层不是织物层，并且其中所述系接组件不是织物材料。
104.项目102的可剥离的表面粘合装置，其中所述织物背衬层的材料选自尼龙、碳纤维、聚芳酰胺、碳纤维和聚芳酰胺混合物。
105.项目78的可剥离的表面粘合装置，其中所述粘合表面积为100cm2或更大并且能够承载至少1200N/100cm2粘合表面积的重量。
106.项目78的可剥离的表面粘合装置，其中所述粘合表面积为1cm2或更大并且能够承载大于12.0N/1cm2粘合表面积的重量。
107.项目78的可剥离的表面粘合装置，其还包含支撑组件。
108.一种可剥离的表面粘合装置，其包含：
粘合垫，其包含：
弹性材料的平面层，其在一侧上具有用于粘合至目标表面的显微镜下光滑或图案化的粘合表面；和
具有高面内硬度的平面织物背衬层，其中在与所述粘合表面相反的侧上，所述背衬层浸渍到所述弹性材料层上；
连接至所述粘合垫的系接组件；和
用于承载负载的支撑组件，所述支撑组件可连接至所述系接组件，用于将物体连接至所述装置。
109.一种在表面上可剥离地支撑重量的方法，其包括：
提供可剥离的表面粘合装置，其包含
粘合垫，所述粘合垫包含弹性材料的平面层，其在一侧上具有用于粘合至目标表面的显微镜下光滑的粘合表面；和具有高面内硬度的平面织物背衬层，其中在与光滑表面相反的侧上，所述织物背衬层浸渍到弹性材料层上；
连接至所述粘合垫的织物系接组件；和
用于承载负载的支撑组件，其可连接至所述织物系接组件，用于将物体连接至所述装置；和
将重量连接至所述支撑组件。
110.项目109的方法，其中所述弹性材料的平面层具有至少约0.2cm2的光滑粘合表面积和具有基本上均匀的不超过约0.5cm的厚度。
111.项目109的方法，其中所述弹性材料具有约0.05MPa至约50MPa的弹性。
112.项目109的方法，其中所述弹性材料选自基于硅氧烷的弹性体、基于尿烷的弹性体和基于丙烯酸酯的弹性体。
113.项目109的方法，其中所述织物背衬层的材料选自尼龙、碳纤维、聚芳酰胺、碳纤维和聚芳酰胺混合物。
114.项目109的方法，能够承载至少1200N/100cm2粘合表面积的重量。
115.项目109的方法，其中所述目标表面是玻璃、金属、木材、塑料、纸、纸板、或混凝土的表面。
116.一种制备可剥离的表面粘合装置的方法，其包括：
提供弹性材料；
提供织物背衬片；
固化所述弹性材料以将所述弹性材料浸渍到所述织物背衬片的至少一部分内，以形成具有所述弹性材料层的垫，所述弹性材料层具有光滑粘合表面；
将重量支撑组件连接至所述织物背衬片，
其中所述弹性材料具有约0.05Mpa至约50Mpa的弹性，并且所述弹性材料层具有约0.01cm至约0.05cm的厚度。
117.项目116的方法，其中所述弹性材料的平面层具有至少约0.2cm2的光滑粘合表面积和具有基本上均匀的小于约0.5cm的厚度。
118.项目116的方法，其中所述弹性材料具有约0.05MPa至约50MPa的弹性。
119.项目116的方法，其中所述弹性材料选自基于硅氧烷的弹性体、基于尿烷的弹性体和基于丙烯酸酯的弹性体。
120.项目116的方法，其中所述织物背衬层的材料选自尼龙、碳纤维、聚芳酰胺、碳纤维、和聚芳酰胺混合物。
121.项目116的方法，能够承载至少1200N/100cm2粘合表面积的重量。
122.项目116的方法，其中固化所述弹性材料包括将所述弹性材料加热至高于室温的温度。
123.一种制备可剥离的表面粘合装置的方法，其包括：
提供织物背衬片，在其一侧上放置基底层；
在所述织物背衬片的另一侧上，提供隔片限定的成型区域；
将弹性材料加入到所述织物背衬片的隔片限定的成型区域中；
用具有显微镜下光滑或图案化的表面的顶覆盖层覆盖所述弹性材料；
对所述顶覆盖层施加压力，形成所述顶垫和所述弹性材料之间紧密的界面；
固化所述弹性材料以将所述弹性材料浸渍到所述织物背衬片的至少一部分内，以形成具有所述弹性材料层的垫，所述弹性材料层具有显微镜下光滑或图案化的粘合表面；和
将重量支撑组件连接至所述织物背衬层，
其中所述弹性材料具有约0.05Mpa至约50Mpa的弹性，并且所述弹性材料层具有约0.01cm至约0.05cm的厚度。
124.项目123的方法，其中所述基底层包含聚四氟乙烯。
125.项目123的方法，其中所述弹性材料包含固化成弹性体的预聚物材料。
126.项目123的方法，其中所述顶覆盖层包含聚二甲基硅氧烷。
127.项目123的方法，其还包括在所述顶覆盖层上放置玻璃板，其中所述压力相对所述玻璃板进行施加。
128.项目125的方法，其中所述预聚物材料包含端羟基的聚乙二醇与基于脂肪族或芳香族的多异氰酸酯。
129.项目123的方法，其中所述顶覆盖层具有显微镜下光滑的表面，用于与所述弹性材料接触。
130.项目123的方法，其中所述顶覆盖层具有显微镜下图案化的表面，用于与所述弹性材料接触。
附图简述
图1显示了本发明示例性实施方式的示意图。
图2显示了某些设计因素和示意图。
图3显示了示例性制作方法的示意图。
图4显示了本发明用于垫-系接组件连接的各种实施方式的示意图。
图5显示了用于表征“T-垫”结构在纯剪切载荷下负载的最大力的示例性的力vs.位移测量值。
图6显示了示例性的对于各种“T-垫”构造、活壁虎和非织物背衬的聚合物涂层负载的最大剪切力作为通过面内柔量归一化的界面面积的平方根的函数。
图7显示了对于各种“T-垫”构造的示例性的每单位宽度的破坏力(failureforce)作为剥离角的函数。
图8显示了在各种表面上支撑负载的完整“T-垫”结构的某些实例。
图9图示说明了根据本发明的粘合垫制作的示例性实施方式。
图10显示了织物粘合的示例性图象。(A)尼龙织物PDMS粘合，(B)碳纤维/Kevlar平纹织物PDMS粘合；和(C)单向碳纤维聚氨酯粘合。
图11显示了对于聚氨酯实例的模量相对频率的示例性曲线。
图12显示了对于制作根据本发明的粘合垫的模制技术的实施方式的示意图。
图13显示了受控位移测试的示例性结果(载荷相对延伸作图)。
图14显示了聚氨酯粘合垫经受周期负载的重复性的示例性结果。
图15显示了用聚氨酯粘合支撑136kg的静态负载测试。
图16显示了使用各种基底的聚氨酯粘合的示例性负载数据。
图17显示了在(A)支撑42”平板电视的中心负载的PDMS粘合垫和(B)干式墙上支撑帽衫的中心负载的聚氨酯粘合垫上进行的静态负载测试。
图18(A)显示了高性能和易剥离粘合垫的负载角度依赖性的示意图。(B)显示了与单厚板粘合垫相比，中心负载垫的角度依赖性的示例性结果，其中中心负载的垫在全部各种负载角下都保持高破坏力，同时仍然易于剥离。
发明详述
本发明是部分基于新的设计、体系、装置以及相关材料和制作方法的发现，其使大的接触表面、高负载容量、易剥离、延长使用和重复使用成为可能。更具体地，本发明提供了一种独特的、之前未知的粘合体系的方法，其不同于常规PSA体系以及最近开发的类壁虎粘合剂。
本发明不同于PSA领域的现有技术，至少是因为本发明不是如PSA那样依赖于粘弹性来实现性能控制。本发明的设计和体系使得分离时间和能量最小化，同时保持支撑极端高重量负载的能力。可以通过组合软弹性层的特性和织物层的“覆盖”特征来设计大面积的界面接触。此外，弹性设计提供了用于重复连接和分离周期的机制，而没有降低粘合界面的载重能力。
与开发壁虎类型粘合剂的现有技术相反，本文公开的设计、体系和方法不需要使用表面纤维状结构来获得所需属性。按照本文公开的原理，可以模拟自然界中常见实例的脚趾和腿结构的工程设计，如垂直爬行中的壁虎。
本发明和现有技术之间的其他关键差异特别涉及连续连接处的旋转自由度的特定设计、垂直于弹性材料表面的具有低抗弯刚度的负载方向的硬度规格、以及在“预负载”需要的接近零(指的是建立用于支撑给定负载的粘合剂/基底界面所需力的量)的法向和剪切负载方向下获得高容量负载支持的能力。
在本发明的一个方法中，本文公开的粘合垫体系使用了“干”粘合垫结构，有时候称为“T-垫”，其一个实例是图示于图1中。正确地设计的T-垫装置可以在剪切、法向和多模式(即，剥离)负载下支撑高负载，同时在特定设计的剥离策略下需要最小的力和能量来用于剥离(或分离)。
粘合装置的基础结构称为“垫”，其随后连接至系接组件(例如，合成织物系接组件)，其可以称作“腱(tendon)”。系接组件应当沿着负载的主轴维持高的硬度。腱和垫之间的连接具有预先限定的尺寸、方向和空间位置，根据特定的需求，可以进行改变以控制剥离策略以及提供剪切和法向负载的容许平衡。
该方法代表了聚合物材料的粘合属性和通过旋转自由度的适当守恒、垂直于粘合界面的低挠曲模量和承重方向的高硬度整合的机械设计的独特组合。发明人已经开发了比例关系来提供用于理解在一系列尺寸尺度和几何学上的材料装置的粘合性能的框架(图2)。该比例关系表明界面的粘合能力(Fc)由三个简单的参数控制，这取决于界面的几何形状和材料特性二者。为了设计可以粘附到各种基底的可逆粘合剂，界面相互作用(Gc)应当取决于非特异性的范德华力，使得Gc成为无效的控制参数。因此，为了测量用于粘合材料的Fc，材料体系必须不能只依赖于接触面积(A)或体系柔量(C)，而是必须产生提高A/C比例的属性。这提出了一个挑战：材料必须是柔软的，以提高真实接触，而又必须是硬的，以获得高负载。软材料能够形成大尺度接触但负载时具有高柔性，而硬材料不能形成大范围的接触；两种情况导致对A/C比例的无效。本发明提供了一种用于最大化A/C的机制，并且最重要地，对不同的应用调整这个控制参数。按照图3中图示的，高效且有效的制作方法可以用于制作T-垫。该方法涉及将弹性的弹性体的薄层整合至织物的表面中。
系接组件(腱)可以通过任何合适的方法连接至垫，如常规的缝制、缝合或胶粘，这可以容易地控制连接的尺寸、方向和空间位置。连接应当提供充分的负载分配和负载能力，其可以通过缝合模式、宽度和长度来控制。合适的缝合模式包括直线缝合、Z字形缝合、多Z字形缝合、缎纹缝合、蜂巢式缝合、阶梯式缝合、双锁缝缝合和交叉缝合。
例如，特别有利的系接组件-垫连接是直线缝合，其以垫的一个轴为中心并且延伸至垂直于第二个垫轴的大约2/3弦长的长度。系接组件-垫连接应当保持旋转自由度，同时在负载方向保持高硬度。系接组件-垫连接应当优选沿着连接的整个长度保持相等的负载分配。在足够远离系接组件-垫连接的距离处，将系接组件整合至具有高抗弯刚度和面内硬度的承载材料中。该刚性终端材料有时候也成为“骨架”(“支撑组件”)。系接组件-骨架之间的连接应当优选是连续的，以确保沿着连接长度的相等的负载分配。
本发明包括如下设计：其中一个T-垫结构可以单独使用或结合一列T-垫结构或部件(称为“T-表面”)使用，其可以用自由旋转的接头来安装至例如在一个或多个方向可以是刚性的支撑基底。对于某些应用，例如，也可以使用大的承重搁架，用于系接组件至粘合垫的多个连接点。
图4显示了用于系接组件-垫连接的各种T-垫构造的示意图。骨架连接未显示。单个厚板连接构成了连续的粘合垫和支撑背衬，然后可以将其分成许多离散的粘合垫和支撑背衬，其中将多个腱用于形成不同的构造(例如，梯度长度系列构造)。远离边缘的腱连接和中心负载的垫构造构成了粘合垫和支撑背衬，其中平面系接组件基本上在中心连接至粘合垫，其中在T-垫的情况中，连接的长度可以等于宽度，或在中心负载垫的情况中，连接的长度等于一些部分或宽度。在两种情况中，连接粘合垫的系接组件使得可以调节平面系接组件和粘合垫之间的角度为约0°至约359°。
可以用于粘合垫中的弹性材料包括基于硅氧烷的弹性体、基于尿烷的弹性体和基于丙烯酸酯的弹性体。聚二甲基硅氧烷(PMDS)属于一组聚合有机硅化合物，其通常称为聚硅氧烷。PDMS，广泛用于基于硅的有机聚合物中，具有优选的流变学(或流动)特性。PDMS通常是惰性的、无毒且不可燃的。
可以用于粘合垫的其他弹性材料包括聚氨酯，其是通过尿烷(氨基甲酸酯)键共价连接的有机单体的聚合物。
通过将异氰酸酯基团-N＝C＝O与羟基-OH反应来产生尿烷键。在催化剂和其他添加剂的存在下，通过多异氰酸酯与多醇(多元醇)的加聚反应来产生聚氨酯。在这种情况下，多异氰酸酯是具有两个或更多个异氰酸酯官能团R-(N＝C＝O)n≥2的分子，而多元醇是具有两个或更多个羟基官能团R’-(OH)n≥2的分子。反应产物是含有尿烷键的聚合物-RNHCOOR’-。聚氨酯单体(“预-聚合物”)的实例包括端羟基的分子，如聚乙二醇、聚丙二醇、聚丁二醇或双酚A(含羟基单体)和基于脂肪族或芳香族的异氰酸酯，如亚甲基联苯二异氰酸酯、甲苯联苯二氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯或从这些单体中的多种的组合产生的多异氰酸酯(例如，三分子亚甲基联苯二异氰酸酯形成含有三个异氰酸酯官能团的三聚体)。
在一个方面中，本发明总体地涉及可剥离的表面粘合装置。该装置包括粘合垫和连接至粘合垫的系接组件。粘合垫包括：具有高面内硬度的平面背衬层；和弹性材料的平面层，其在至少一侧上具有用于粘合目标表面的粘合表面，其中在至少与粘合表面相反的侧上，弹性材料浸渍在背衬层上。在某些优选实施方式中，该装置还包含用于承受负载的支撑组件。支撑组件可连接至系接组件，用于将物品连接至装置。
注意在本文中所用的术语“背衬”包括但不限于如下的情况：其中所涉及的层或材料是装置结构的背面(或最后)层。根据本发明，背衬层可以是结构排列的内层或组件。
在某些实施方式中，粘合垫包括：弹性材料的平面层，其在一侧上具有用于粘合至目标表面的粘合表面；和具有高面内硬度的平面背衬层，其中与粘合表面相反的侧上，背衬层浸渍到在弹性材料层上。
在某些实施方式中，粘合表面在显微镜下是光滑的。在某些实施方式中，粘合表面在显微镜下是图案化的。
在某些实施方式中，背衬层是织物背衬层。
在某些实施方式中，弹性材料具有约0.01cm2至约1,000cm2的粘合表面积(例如，约0.01cm2、0.05cm2、0.1cm2、0.5cm2、1cm2、2cm2、5cm2、10cm2、20cm2、50cm2、100cm2、200cm2、500cm2、1,000cm2)和基本上均匀的约0.001cm至约0.1cm的厚度。在某些实施方式中，弹性材料的平面层具有大于约0.01cm2的光滑粘合表面积并且具有基本上均匀的小于约0.001cm的厚度。在某些实施方式中，弹性材料的平面层具有大于约0.05cm2的光滑粘合表面积并且具有基本上均匀的小于约0.005cm的厚度。在某些实施方式中，弹性材料的平面层具有大于约0.1cm2的光滑粘合表面积并且具有基本上均匀的小于约0.01cm的厚度。在某些实施方式中，弹性材料的平面层具有大于约0.2cm2的光滑粘合表面积并且具有基本上均匀的小于约0.5cm的厚度。在某些实施方式中，弹性材料的平面层具有大于约0.5cm2的光滑粘合表面积并且具有基本上均匀的小于约0.2cm的厚度。在某些实施方式中，弹性材料的平面层具有大于约1.0cm2的光滑粘合表面积并且具有基本上均匀的小于约0.1cm的厚度。在某些实施方式中，弹性材料的平面层具有大于约5.0cm2的光滑粘合表面积并且具有基本上均匀的小于约0.05cm的厚度。在某些实施方式中，弹性材料的平面层具有大于约10cm2的光滑粘合表面积并且具有基本上均匀的小于约0.02cm的厚度。在某些实施方式中，弹性材料的平面层具有大于约100cm2的光滑粘合表面积并且具有基本上均匀的小于约0.01cm的厚度。在某些实施方式中，弹性材料的平面层具有约10cm2至约100cm2的光滑粘合表面积并且具有基本上均匀的约0.01cm至约0.05cm的厚度。在某些实施方式中，弹性材料的平面层具有约1,000cm2至约100cm2的光滑粘合表面积并且具有基本上均匀的约0.5cm至约0.05cm的厚度。
在某些实施方式中，弹性材料具有约0.05MPa至约50MPa的弹性。在某些实施方式中，弹性材料具有约0.05MPa至约30Mpa的弹性。在某些实施方式中，弹性材料具有约0.05MPa至约10Mpa的弹性。在某些实施方式中，弹性材料具有约1MPa至约50Mpa的弹性。在某些实施方式中，弹性材料具有约1MPa至约30Mpa的弹性。在某些实施方式中，弹性材料具有约1MPa至约10Mpa的弹性。
在某些实施方式中，弹性材料包括基于硅氧烷的弹性体。在某些实施方式中，弹性材料包括基于尿烷的弹性体。在某些实施方式中，弹性材料包括基于丙烯酸酯的弹性体。在某些优选实施方式中，弹性材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)。在某些实施方式中，弹性材料包括例如由端羟基的聚乙二醇与基于脂肪族或芳香族的多异氰酸酯的聚合制备的聚氨酯。可以使用任何合适的材料，包括苯乙烯-丁二烯-苯乙烯弹性体和其他热可逆的嵌段共聚物弹性体；液晶弹性体；天然橡胶。
在某些实施方式中，织物背衬层材料包括天然织物材料或合成织物材料。在某些实施方式中，织物背衬层材料包括天然织物材料，如棉、大麻、羊毛、丝、竹纤维、纤维素、黄麻或凤梨麻。在某些实施方式中，织物背衬层材料包括聚酯、斯潘德克斯弹性纤维、尼龙、碳纤维、聚芳酰胺、碳纤维和聚芳酰胺混合物(hybrid)、碳纤维玄武岩混合物、玻璃纤维、或玻璃纤维混合物的合成织物。在某些优选实施方式中，织物背衬层材料包含选自尼龙、碳纤维、聚芳酰胺、碳纤维和聚芳酰胺混合物的材料。
在某些实施方式中，装置具有100cm2或更大的粘合表面积，并且能够承受至少1200N/100cm2粘合表面积的重量。在某些实施方式中，装置具有100cm2或更大的粘合表面积，并且能够承受至少3150N/100cm2粘合表面积的重量。在某些实施方式中，装置具有1cm2或更大的粘合表面积，并且能够承受至少12.0N/1cm2粘合表面积的重量。在某些实施方式中，装置具有1cm2或更大的粘合表面积，并且能够承受至少31.5N/1cm2粘合表面积的重量。
在某些实施方式中，系接组件是织物材料，例如，选自合成织物，如聚酯、斯潘德克斯弹性纤维、尼龙、碳纤维、聚芳酰胺、碳纤维聚芳酰胺混合物、碳纤维玄武岩混合物、玻璃纤维、碳纤维、或玻璃纤维混合物，和天然织物，包括棉、大麻、羊毛、丝、竹纤维、纤维素、黄麻、和凤梨麻。在某些实施方式中，系接组件是非织物材料，例如，选自皮革、金属片、塑料片或无纺布织物。在一些实施方式中，该材料由勾花网(chain link mesh)制得。
在另一个方面中，本发明总体地涉及可剥离的表面粘合装置。该装置包括：包含弹性材料并且在一侧上具有用于粘合至目标表面的粘合表面和在另一侧上具有高面内硬度的背衬层的平面层，其中弹性材料浸渍到背衬层中；和可连接至背衬层的支撑组件，用于将物体连接至装置。背衬层的一部分延伸超过弹性材料层，以形成未浸渍有弹性材料的背衬层区域，并且支撑组件在这种未浸渍有弹性材料的背衬层区域上连接至背衬层。
在某些实施方式中，弹性材料可以延伸超过垫“背侧”上的织物层。该设计可能有助于建立均匀的接触而不会牺牲装置的硬度，所述装置的硬度直接与粘合装置的负载力相关。
在再另一个方面中，本发明总体地涉及可剥离的、可再使用的表面粘合装置。该装置包括粘合垫，其具有：弹性材料的平面层，其在一侧上具有用于粘合至目标表面的粘合表面；和具有高面内硬度的平面背衬层，其中在与光滑粘合表面相反的侧上，背衬层浸渍到弹性材料层上。该装置还包括连接至粘合垫的系接组件，其基本上在粘合垫的中心并且允许调节平面系接组件和粘合垫之间的角度为约0°至约359°。
在某些实施方式中，系接组件和粘合垫之间的可调节角范围从约0°至约90°，例如，15°、30°、45°或60°。在某些其他实施方式中，系接组件和粘合垫之间的可调节角范围从约90°至约120°，例如，95°、110°、110°或115°。在某些其他实施方式中，系接组件和粘合垫之间的可调节角范围为约120°至约360°，例如，150°、180°、210°、270°或300°。
在再另一个方面中，本发明总体地涉及可剥离的表面粘合装置。该装置包括粘合垫，其具有弹性材料的平面层，其在用于粘合至目标表面的一侧上具有在显微镜下光滑或图案化的粘合表面；和具有高面内硬度的平面背衬层，其中背衬层在与粘合表面相反的侧上浸渍到弹性材料层上。该装置还包括连接至粘合垫的系接组件；和用于承载负载的支撑组件，支撑组件可连接至系接组件，用于将物体连接至装置。
在再另一个方面中，本发明总体地涉及一种在表面上可剥离地支撑重量的方法。该方法包括：(a)提供可剥离的表面粘合装置，该装置具有粘合垫，其包含其在用于粘合至目标表面一侧上具有在显微镜下光滑的粘合表面的弹性材料的平面层；和具有高面内硬度的平面织物背衬层，其中织物背衬层在与光滑表面相反的侧上浸渍至弹性材料层上；连接至粘合垫的织物系接组件；以及可连接至织物系接组件的用于承载负载的支撑组件，用于将物体连接至装置；和(b)将重量连接至支撑组件。
在再另一个方面中，本发明涉及一种制备可剥离的表面粘合装置的方法。该方法包括：(a)提供弹性材料；(b)提供织物背衬片；(c)固化弹性材料，以将弹性材料浸渍到至少一部分织物背衬内，以形成具有弹性材料层的垫，该弹性材料层具有光滑的粘合表面；(d)将重量支撑组件连接至织物背衬片。弹性材料具有约0.05Mpa至约50Mpa的弹性，并且弹性材料层具有约0.0001cm至约0.1cm的厚度。
在再另一个方面中，本发明总体地涉及一种制备可剥离的表面粘合装置的方法。该方法包括：(a)提供织物背衬片，在其一侧上放置基底层；(b)在织物背衬片的另一侧上，提供隔片限定的成型区域；(c)将弹性材料加入织物背衬片的隔片限定的成型区域中；(d)用具有显微镜下光滑或图案化的表面的顶覆盖层覆盖弹性材料；(e)对顶覆盖层施加压力，使得顶垫与弹性材料之间形成紧密的界面；(f)固化弹性材料，以将弹性材料浸渍到至少一部分织物背衬层中，以形成具有弹性材料层的垫，所述弹性材料层具有显微镜下光滑或图案化的粘合表面；和(g)将重量支撑组件连接至织物背衬层。弹性材料具有约0.05Mpa至约50Mpa的弹性，并且弹性材料层具有约0.0001cm至约0.1cm的厚度。
在某些实施方式中，在有意义的操作温度下，储能模量与损耗弹性模量的比例至少大于约10(例如，大于15、20或50)。
弹性材料层可以按照特定应用需要而具有任何大小和形状，例如，可以具有基本上圆的外边缘，基本上矩形的外边缘、基本上椭圆形的外边缘或基本上不规则的外边缘。
如本文所述，在一些实施方式中，弹性材料层包括两个、三个、四个或更多个分开的较小的弹性材料层单元或结构。目标表面可以是任何合适的表面，包括玻璃、金属、木材、塑料、纸、纸板或混凝土的表面。
已经在纯剪切和法向负载方向以及受控剥离角下证明了负载的可重复连接和剥离，具有我们已知的任何现有产品无法比较的性能量级。例如，实验装置能够使用16平方英寸的T-垫支撑重达707磅的负载(44psi)，而只需要最小的力来脱离，在相同垫上重复多次循环的性能，具有可忽略的性能退化。此外，可以使用肥皂和水或颗粒转移材料(如，粘弹性的丙烯酸胶带)容易地清洁粘合垫结构。可以根据本文公开的原理来设计剥离机制，以适合特定的应用。
本发明整合的粘合垫方法提供了用于各种各样应用的强有力的平台。例如，这些结构可以用于支撑用于书本、陈列和电子设备(电视、电脑、立体声系统、监控器、屏幕)等的支架；悬挂结构；汽车内饰；等等。此外，本设计可以用于帮助在由各种材料(如，玻璃、金属、木材和干式墙)制成的垂直表面或悬垂物上进行攀爬。
实施例
力vs.位移测试
图5显示了用于表征T-垫结构在纯剪切负载下负载的最大力的示例性力vs.位移测量值。(织物背衬层不同。所有结果是16英寸2垫，具有在图例中标记为“t”的不同的厚度)。实验在单个实验室连接几何结构中在Instron测试仪上进行，其中连接在粘合垫和光滑干净的玻璃基底之间进行。控制延伸为10mm/min，并且在整个测试过程中测量负载。最大负载对应于临界破坏负载，如所示的，这将根据织物背衬层而不同。
图6显示了各种T-垫构造、自然数据(其包括活壁虎和用于壁虎、甲壳虫、蜘蛛、蟋蟀和苍蝇的各种连接装置)、和非织物背衬层聚合物涂层所支撑的最大剪切力，作为通过面内柔量归一化化的界面面积平方根的函数。趋势线按照预测的缩放比例关系，证明了可预测地调节最大剪切力性能的能力。
破坏力测试
图7显示了对于不同T-垫构造，每单位宽度的破坏力作为剥离角的函数(每个粘合垫的总接触面积为10.8cm2，并且中心负载的垫连接为2/3宽度)。证明了调节易于剥离的临界角的能力。在Instron 5500R上，以10mm/min，在干净的玻璃上进行了剥离实验，并且施加的负载和基底之间的角度在0°和90°之间改变。
图8显示了一些简单的在各种表面上支撑负载的完整T-垫结构的实例。所有实施例中使用了相同的尼龙织物PDMS粘合(A＝16英寸2，具有1mm的厚度)垫结构。
PDMS粘合垫的制作
图9图示说明了PDMS粘合垫制作的实施方式。(A)为了制备PDMS粘合剂，使用载玻片制作模具。将未固化的、脱气的PDMS低聚物和固化剂(Dow Corning Sylgard 184TM)以10:1(w/w)的比例倒入模具中。将模具进行构造，使得其厚度大于织物的粗糙度，其允许在制造后对粘合剂进行光滑表面整理。倒入脱气的PDMS，并且允许铺展至模具中之后，在施加织物之前，在70℃下进行了6-8分钟预固化，以在随后的固化过程中帮助支撑织物。(B)然后将织物置于模具上，允许未固化的PDMS浸渍织物，然后在室温下固化3天。织物由单片构成，其被切割使得宽度重叠模具的边缘以提供支撑，并且长度足够长，以覆盖模具并且形成“腱”结构。腱也可以用弹性体浸渍，以提供相等的负载分配。
在另一个实施方式中，将织物设计成中心负载的垫，使得织物腱缝合至粘合垫织物的中心。在这个设计中，腱结构也用PDMS浸渍，以确保织物在随后的负载施加过程中不会松开。这通过在腱和粘合垫之间放置一个隔片来实现，然后铺展PDMS通过腱，接着在浸渍的腱的顶部放置覆盖隔片。(C)PDMS固化后，从模具取出织物粘合剂，并且通过机械切割成合适尺寸。使用氰基丙烯酸酯粘合剂，将由2 1/8”厚的塑料片组成的刚性载片(“骨架”)连接到腱的底部，随后允许其固化6小时。
图10显示了以下的示例性图像：(A)尼龙织物PDMS粘合剂的照片，(B)碳纤维/Kevlar平织织物PDMS粘合剂，和(C)单向碳纤维聚氨酯粘合剂。中间栏显示了面向上的粘合侧的侧剖面的扫描电子显微镜(SEM)图像，而右栏显示了光滑的粘合表面。光学照片中的标尺为5cm，而SEM图像中的所有标尺为500μm。
聚氨酯粘合剂
通过添加1:1比例的端羟基聚乙二醇、聚丙二醇、和/或聚丁二醇的官能团与基于脂肪族或芳香族的多异氰酸酯来合成聚氨酯粘合剂。在本申请中还利用了聚氨酯的商业试剂盒。
图11显示了以聚氨酯为实例的模量相对频率的曲线。储能模量比损耗模量高约一个数量级，显示出样品主要具有类固体、弹性特性。模量在两个数量级的频率中还略有改变。
图12图示说明了通过模制技术用聚氨酯形成垫的模制技术的实施方式。在聚四氟乙烯基底顶部放置用于粘合背衬层的纤维。将低密度聚乙烯(LDPE)隔片放置在纤维顶部，使允许控制聚氨酯(PU)厚度，并且将未固化的PU预聚合物倒入模具中。然后将具有玻璃板的聚二甲基硅氧烷垫放置在顶部，并且最后体系负重45磅重量。
利用这种模制技术，可以获得光滑的粘合表面(利用光滑的PDMS顶层)或表面特征(利用图案化的PDMS顶层)。可以通过改变LDPE隔片的厚度来改变粘合剂的厚度。可以改变这种方法，以使用刮刀系统来工作，这将允许大量生产粘合垫。
负载测试
使用Instron受控位移测试来测试样品粘合垫。将机械夹子连接至Instron5500R，一块玻璃连接至十字头上的夹子，并且将粘合垫固定在底部夹子上。然后将粘合垫粘合至玻璃上，并且使用10mm/min的位移，直至粘合剂从玻璃上脱离。该测试重复多次，以测定平均破坏力，并且证明可重复使用性。图13显示了存在初始负载状态，并且通过找到该线条的斜率，可以找到控制粘合剂总载荷的粘合体系的硬度。这些聚氨酯粘合剂的硬度(并且因此总载荷)高于之前记录的硬度值。在该曲线的峰处是总载荷(对于该样品为～2950N)。在该峰后，粘合剂从玻璃上剥离，导致记录的负载下降。该测试可以重复，并且我们已经显示出超过100次测试循环的可再现性(图14)。
对这些聚氨酯粘合剂还进行了静态负载测试。通过链条将含有136kg质量的棒连接至粘合垫，并且还通过滑轮系统来支撑。使用滑轮系统，升高重物直至粘合剂可以粘附到玻璃被粘物机构。然后降低滑轮系统，直至总负载由粘合剂支撑。这些测试的某些结果显示于图15中，其中该测试通过在玻璃表面上支撑136kg来进行。
如图16中所示，这些聚氨酯粘合剂可以用于各种基底上。与之前的负载测试相似地进行了这些结果，然而，或用新材料替代窗玻璃板，或将新材料粘合到玻璃板表面。图17显示了在(A)支撑42”平板电视的16英寸2中心负载的PDMS粘合垫和(B)在干式墙上支撑帽衫的中心负载的聚氨酯粘合垫上进行的静态负载测试。图18(A)显示了高负载和易剥离粘合垫的负载角依赖性的图示说明。(B)显示了与单厚板粘合垫相比，中心负载垫的角依赖性的结果，其中中心负载垫在整个各种负载角保持高破坏力，同时仍然允许易剥离。
参考文献的并入
在本公开内容中参考和引用了其他文献，如专利、专利申请、专利公开、杂志、书、论文、网络内容。因此所有这些文献为了所有目的以其整体通过引用并入本文。
等同体
代表性实施例旨在帮助说明本发明，并不旨在，也不应当将其解释为限制本发明的范围。实际上，从本文件的全部内容，包括实施例和包括在本文中的科学和专利文献的引用，本领域技术人员将清楚除了本文显示和描述的那些以外的本发明的各种改变及其许多进一步的实施方式。实施例含有适于以各种实施方式及其等同体实施本发明的重要的其他信息、范例和指导。

Claims (15)

1.一种可剥离的表面粘合装置，其包含：
粘合垫，其包含：
平面背衬层；
弹性材料的平面层，其在至少一侧上具有用于粘合至目标表面的粘合表面，其中与所述粘合表面相反的弹性材料的平面层的一侧被施加到背衬层上，并且其中所述背衬层具有比弹性材料的平面层更高的面内硬度。
2.权利要求1的可剥离的表面粘合装置，其中所述弹性材料的平面层包含两个或更多个分开的较小的弹性材料层单元。
3.权利要求1的可剥离的表面粘合装置，进一步包含连接至粘合垫的背衬层的并且从粘合垫的背衬层延伸的柔性系接组件。
4.权利要求3的可剥离的表面粘合装置，其中所述系接组件和粘合垫之间的角度是可调节的。
5.权利要求3的可剥离的表面粘合装置，进一步包含连接至所述系接组件的用于将物体连接至所述装置的支撑组件。
6.一种方法，包含：
连接柔性系接组件至权利要求1-2任一项所述的可剥离的表面粘合装置的粘合垫。
7.一种制备可剥离的表面粘合装置的方法，其包括：
施加弹性材料至平面背衬层；
固化所述弹性材料以形成具有施加到所述平面背衬层的弹性材料的平面层的粘合垫，其中所述背衬层具有比弹性平面层更高的面内硬度。
8.权利要求7的方法，进一步包含连接柔性系接组件至粘合垫。
9.权利要求1-8任一项的可剥离的表面粘合装置或方法，其中所述弹性材料的平面层具有0.0001cm至0.1cm的均匀厚度。
10.权利要求9的可剥离的表面粘合装置或方法，其中所述弹性材料具有0.05MPa至50MPa的弹性模量。
11.权利要求1-8任一项的可剥离的表面粘合装置或方法，其中所述弹性材料包含基于硅氧烷的弹性体、基于尿烷的弹性体、基于丙烯酸酯的弹性体、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、嵌段共聚物弹性体、聚氨酯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯和天然橡胶中的至少一种。
12.权利要求1-8任一项的可剥离的表面粘合装置或方法，其中所述背衬层包含织物、箔、片和膜中的至少一种。
13.权利要求3-6和8任一项的可剥离的表面粘合装置或方法，其中所述系接组件包含织物、绳、纤维、塑料片、管、杆、金属箔、链、无纺布织物、绳缆和皮革中的至少一种。
14.权利要求3-6和8任一项的可剥离的表面粘合装置或方法，其中所述系接组件在远离所述粘合垫的边缘处被连接至粘合垫。
15.权利要求14的可剥离的表面粘合装置或方法，其中所述系接组件在所述粘合垫的中心处连接至所述粘合垫。
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