CN107110185A - 具有可逐步切换的粘附性的结构化表面 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种结构化表面，其包括至少在垂直高度方面彼此不同的至少两种类型的突起。这允许所述结构化表面的粘附能够在至少三种不同的状态之间切换。

Description

具有可逐步切换的粘附性的结构化表面
技术领域
本发明涉及一种具有可切换的粘附性的表面以及一种用于制造这种表面的方法。
背景技术
可切换的粘附性对于很多应用都意义重大。通过胶粘式连接构成的连接常常仅适合一次性应用，或者在多次应用时很快失效。
可逆的粘附连接的一个重要领域是类似于壁虎结构的基于范德华力的干粘附。这些结构是可拆卸的，也可以多次使用。但是问题在于，表面的粘附力仅能有限地被影响。
技术问题
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种结构化的表面，其粘附力能够被改变，所述表面具有可切换的粘附性。此外提供一种用于制造这种表面的方法。
发明内容
根据本发明，该技术问题通过独立权利要求的特征解决。本发明的有利扩展方案在从属权利要求中表征。所有权利要求的用词由此通过参考说明书的内容而获得。本发明还包括所有有利的和/或特别是所有列出的独立权利要求和/或从属权利要求的组合。
所述技术问题通过一种结构化表面解决，其中该表面具有包括多个突起的结构，所述多个突起至少分别具有杆，杆具有背离表面的端面，其特征在于，所述多个突起包含至少在端面的垂直高度方面不同的至少两种类型的突起，并且突起的材料具有这样的弹性模量，使得根据负载、一种或多种类型的突起通过其端面形成粘附力，所述粘附力比通过突起的可能的压缩而施加的力更大；并且至少一种突起具有这样的高径比，使得当超过一定负载时这些突起弯折，并且粘附力通过端面的弯折而急剧减小。
端面的垂直高度应理解为端面与其上布置突起的表面之间的距离。
在本发明的优选实施形式中，端面的弯折是可逆的。优选地，突起的变形是可逆的。突起具有足够的弹性，使得结构化的表面可以返回到其没有负载的状态。
在本发明的优选实施形式中，本发明的结构化表面的突起设计为柱形的。这意味着它们优选地是垂直于表面形成的并且具有杆和端面的突起，其中杆和端面可以具有任意的横截面(例如圆形，椭圆形，矩形，正方形，菱形，六边形、五边形等)。
优选地，突出部被这样设计，使得端面在突起的基面上的垂直的投影与基面构成重叠面，其中，重叠面和重叠面在端面上的投影伸展成一个主体，该主体完全位于突起内部。在本发明的优选实施方式中，重叠表面包括至少50％的基面，优选地至少为基面的70％，特别优选地，重叠区域包括整个基面。
在优选实施方式中，端面平行于基面和端面地定向。如果端面不平行于表面定向并因此具有不同的垂直高度，则端面的平均垂直高度被认为是突起的垂直高度。
在优选实施形式中，突起的端面大于基面。
在本发明的一种优选实施例中，突起的杆相对于其平均直径具有1至100，优选1至10，特别优选2至5的、高度比直径的高径比(或称为长径比)。
平均直径是指圆的直径，该圆具有和突起的相应横截面相同的面积，其在突起的整个高度上被平均。
在本发明的另一实施例中，在突起的整个高度上，突起的高度与一定高度处的直径的比例总是1至100，优选为1至10，更优选为2至5。在这种情况下直径理解为圆的直径，该圆具有和突起的在一定高度处的相应横截面相同的面积。
至少一种类型的突起可以具有加宽的端面，即所谓的“蘑菇”结构。
杆的高径比对于在过高负载下的压缩和弯折是重要的。
突起的端面可以被自行结构化，用于增高其表面积。在这种情况中，端面的平均的垂直高度被视作突起的垂直高度。
在优选实施方式中，所有突起的垂直高度在1μm至2mm的范围内，优选在10μm至2mm的范围内。
在优选实施方式中，基面从表面起对应于直径在1μm至1mm之间，优选在10μm和500μm之间的圆。在一个实施方式中，基面是直径在1μm至1mm之间，优选在10μm至500μm之间的圆。
杆的平均直径优选在1μm至1mm之间，优选在10μm和500μm之间。优选地，高度和平均直径与优选的高径比对应地调整。
在本发明的另一实施方式中，至少一种类型的突起具有加宽的端面，其中对于这种类型的突起，横截面积在垂直高度的上部三分之一到加宽的端面是增加的。
在一个优选实施方式中，对于加宽的端面，突起的端面的表面积至少是突起的基面的面积的1.01倍，优选至少为1.5倍。例如，这可以是1.01至20倍。
在另一个实施形式中，端面比基面大5％至100％，更优选地比基面大10％至50％。
在优选实施方式中，两个突起之间的距离小于2mm，特别是小于1mm。
在本发明的另一优选实施方式中，不同类型的突起被混合地布置，特别优选地，使得一种类型的突起的10、5、4、3、2或1个突起不会仅被相同类型的突起包围。特别地，一种类型的每个突起总是被不同类型的至少一个突起包围。在这种情况下，优选地，对于一个突起，这些所有的突起被认为是周围的，从关注的这个突起的基面的几何重心到这些突起的基面的几何重心可以拉一条直线，该直线不与另外的突起的基面相交。
至少两种类型的突起至少在其端面的垂直高度上不同。因此，具有相同垂直高度的每种类型的突起在该垂直高度处伸展成接触表面。当与基底接触时，这些接触表面根据负载依次与基板接触。优选地，相应的伸展成的接触表面平行于其上布置有突起的表面。特别优选地，突起以这样的方式布置，使得当与基板接触时，该区域中一个垂直高度的所有突起均与基板接触。
突起在垂直高度方面的可能差异主要取决于突起的所选择的高径比和弹性模量。所述突起必须在端面不弯折的情况下能够压缩至少直至与在端面不弯折的情况下的第二垂直高度的突起类型相接触。
优选地，高度方面的差异这样选择，使得通过在突起的弹性行为的范围中压缩突起而实现所述差异。这可以通过简单的测量来确定。如果超出该范围，则通常发生突起的不可逆的塑性变形，例如通过弯曲。由于材料的弹性是有限的，这种变形也会导致与基底接触的端面相对于基底不可逆地重新定向。在极端的情况下，端面甚至部分地与基底分离。这可以用于不可逆的一次性切换操作。
在另一个实施方式中，高度差异被这样选择，使得可以将至少具有最高垂直高度的突起的类型在不弯曲突起的情况下压缩至少直到具有下一个较低垂直高度的突起的类型发生接触，优选地压缩至少直至接触具有最低垂直高度的突起的类型。
在本发明的优选实施方式中，主要是突起变形，而不是其上布置有突起的表面变形。
在本发明的另一实施方式中，突起的弹性模量在10kPa至10GPa之间。
在优选实施方式中，在具有最高垂直高度的突起的类型和具有最低垂直高度的突起的类型之间的高度差为最低垂直高度的1％至30％，优选为2％至20％。
本发明还涉及一种用于表面改造对象以获得具有可切换粘附性的表面的方法，其中所述表面经过结构化以形成多个突起，所述多个突起至少分别具有杆。所述多个突起包括至少在相对于表面的端面垂直高度方面不同的至少两种突起；并且突起的材料具有这样的弹性模量，使得根据负载，一种或多种类型的突起通过其端面形成粘附力，所述粘附力比通过突起的可能的压缩而施加的力更大；并且至少一种突起具有这样的高径比，使得当超过一定负载时这些突起弯曲，并且粘附力通过端面的弯曲而急剧减小。
本发明还涉及一种制造结构化表面的方法，所述结构化表面具有至少在其垂直高度上不同的至少两种类型的突起。
在下文中，更详细地描述各个处理步骤。这些步骤不一定按照所示的顺序执行，并且所描述的方法还可以包括未提及的进一步的步骤。
为此，在第一步骤中，提供包括至少一种类型的突起的结构化表面。将可固化材料施加到所述突起中的至少一部分突起的端面上。当结构化的表面具有垂直高度相同的突起时，则材料仅施加到突起的端面的一部分上，以根据该方法获得两种类型的突起。
优选地施加液态的或粘性可固化的材料，特别是以这样的方式施加，使得该材料在端面上形成至少一个液滴。
优选地，材料被这样施加，使得处理的突起的最高垂直高度高于施加前的结构化表面的突起的最高垂直高度。优选地，处理具有不是最低的垂直高度的突起，优选地，处理具有最高垂直高度的突起的类型。
然后将如此处理的突起与用于端面的模板接触，使得增高的突起的后来的端面由可固化的材料形成。
这种接触还可导致端面相对于当前的突起的加宽。
模板可以被涂覆，使得不粘附可固化材料，例如通过硅烷化被涂覆。
模板可能有任何形状。在最简单的变型中，它是一个平坦的表面，其导致具有平坦端面的增高的突起。然而，也可以对模板进行结构化，以使形成的端面具有一定结构。
在下一步骤中，可固化的材料被固化。所使用的方法取决于所用的材料。例如，它可以通过辐射和/或热来固化。优选通过加热固化，优选通过使用加热的模板。模板可以在接触时已经被加热。
在最后一步中，将现在具有至少两种在其垂直高度方面不同的突起的结构化表面从模板脱离。
可固化材料可以是任何合适的材料。可使用的实例是可聚合和/或可固化的化合物，例如聚合物单体，硅烷，硅氧烷。
该方法也可以进行多次以便产生具有一定垂直高度的其它类型的突起。
根据本发明构造的表面也可以以不同的方式获得。例如，可以进行两步光刻，双光子平版印刷，相应基质的模塑成型，蚀刻方法，铣削方法或3D打印。
本发明还涉及两个件的复合体，其中交界部具有根据本发明的结构化表面。
本发明还涉及一种用于切换表面的粘附性的方法。为此，将根据本发明构造的表面与基底接触，由此可以根据施加在结构化表面上的力来区分以下情况。
具有最高垂直高度的突起类型发生接触并形成低粘附力。粘附仅通过这些突起的表面形成。
增加力，同时压缩已经接触的突起直到具有下一较低的垂直高度的突起发生接触并且形成与先前状态相比较高的粘附力。粘附力通过额外地接触新端面而增加，该端面现在也与基底接触。然而，所构成的粘附力被减小了通过压缩较高的突起而存储在其中的弹性能量。如果有多于两种类型的突起，则可以通过增加施加的力来重复该步骤，直到所有突起的端面已经与基底接触。借助各种与基底接触的突起形成一定的粘附力。当所有突起都发生接触时，结构化表面已经达到其最大粘附力。因此，具有不同垂直高度的突起的类型的数量确定了结构化表面的可切换状态的数量。
因此重要的是，通过增大接触面(通过各种其他类型的突起的接触)得到的粘附力始终大于用于压缩的能量。因此，具有加宽的端面的突起是优选的，因为较窄的杆首先被压缩。
如果力增加超过一定值(取决于结构化表面的材料和结构)，则会导致至少一部分突起的优选可逆的反转弯折(Umknicken)。由此，至少一部分端面与基底失去接触。可用于粘合的表面积减小，并且结构化表面的粘附性降低。在理想的情况下，结构化表面现在可以没有粘附力地被脱离。
因此，根据本发明构造的表面允许在至少三种粘附状态之间进行切换。在此出人意料的是，由于力的增强可能导致粘附性的降低。
其他细节和特征由以下对优选实施方式的说明并结合从属权利要求得出。在此各自的特征可以以它们自己的形式实现，也可以彼此组合地实现。解决技术问题的可行方案不限于示例性实施方式。例如，范围数据总是包括所有(未提及的)中间值以及所有可想到的部分区间。
附图说明
在附图中示意示出实施方式。在单独的附图中的相同的附图标记在此表示相同的或功能相同的、或者在其功能方面相互对应的元件。在附图中：
图1示出按照本发明方法的示意图；
图2示出用于制造基底的方法的示意图，其具有端面扩宽的突起；
图3示出用于制造基底的方法的示意图，其具有至少两个不同高度的突起；
图4示出样品105的示意图；
图5示出按照本发明的突起的不同的实施形式的示意图；
图6在a)中示出具有记载在本发明中的尺寸说明的样品105的示意图，在b)中示出突起在样品中的布局；
图7示出在PDMS中成型的样品的在端面扩宽之前的照片；
图8示出具有扩宽的端面和两种类型的突起(SP，LP)的样品的侧视图；
图9在a)中示出参照力的相对位移；在b)中示出图a)中的放大的局部图；为了改善清楚性，曲线沿着X轴(相对位移)相互错开。通常在位移相同时用于样品的力升高。
图10示出力/位移图表的不同点与样品的照片拍摄的关联；
图11示出在不同速度(20μm/s；60μm/s)时、具有AR4.0的样品的测量的粘附力；所述样品对应具有较小的预负载(A)、中值的预负载(B)和较高的预负载(C)的测量；
图12示出在不同速度(20μm/s；60μm/s)时、具有AR4.5的样品的测量的粘附力；所述样品对应具有较小的预负载(A)、中值的预负载(B)和较高的预负载(C)的测量；
图13示出在不同速度(20μm/s；60μm/s)时、具有AR5.0的样品的测量的粘附力；所述样品对应具有较小的预负载(A)、中值的预负载(B)和较高的预负载(C)的测量；
图14示出在速度为20μm/s时、与具有AR4.0的样品的预负载成比例的拉脱力；
图15示出在速度为60μm/s时、与具有AR4.0的样品的预负载成比例的拉脱力；
图16示出示出在速度为20μm/s时、与具有AR4.5的样品的预负载成比例的拉脱力；
图17示出在速度为60μm/s时、与具有AR4.5的样品的预负载成比例的拉脱力；
图18示出在速度为20μm/s时、与具有AR5.0的样品的预负载成比例的拉脱力；
图19示出在速度为60μm/s时、与具有AR5.0的样品的预负载成比例的拉脱力。
具体实施方式
图1示出了具有根据本发明构造的表面的可切换粘附的示意图。结构化表面200包括第一类型的突起210和至少一个第二类型的突起220，他们的区别在于他们的端面215、225的垂直高度。垂直高度是端面215、225与表面205之间的距离，这些突出部被布置在表面205上。突起具有杆210、220和端面215、225。在步骤I中，基底朝向基底230移动。在这种情况下，如在II中所示，垂直高度最大的突起首先与基底表面接触。因此，这些突起220的端面225使得结构化表面200粘附到基底230上。必须克服该力才能再次分离结构化表面(如虚线箭头所示)。这是预负载低的情况。当结构化表面200进一步朝向基底230移动时，已经与基底接触的突起220被压缩。从一定的压缩或预负载开始，第二类型的突起210的端面215也与基底相接触(步骤III)。因此，可用于粘附的表面立即大大增加。相应地，用于分离所需的力增加(如虚线箭头所示，突起的分离不总是必须经过步骤II)。如果预负载进一步增加(图IV)，则由于突起的高径比出现突起的弯折。并非所有的突起都必须均匀地弯折。由此导致，端面以及因此可用于粘附的表面自身从基底230脱离。由此，脱离所需的力急剧下降，并且基底简单地与表面脱离。
图5示出了根据本发明的突起的优选实施方式的示意图。突起500包括端面502和基面504。端面502和基面504以侧视图(左)和顶视图(右)示出。黑色表面506示出端面502在基面504上的垂直投影的重叠面积。它可以与表面相同(a)，或者在扩大的端面(b)和(c)的情况下位于端面502内。通过重叠区域506在端面上的投影延伸的主体508由虚线示出。对于所有的突起，它都位于突起内部，其中它在情况a)中与突起本身相同。因此在其中也包括共同的外表面。
实验
1.样品的制造
通过铣削铝的几个宏观的柱组件来制备用于样品的注塑模板。为此，在3mm深的铣削凹槽中铣制直径为400μm的、六边形布置的圆孔。这些孔在成型后形成相应的柱。制作三个不同的模板，一个中心柱，一个被6个附加柱包围的中心柱，以及一个由两圈共19个柱包围的中心柱。柱的孔为1600μm、1800μm、2000μm深。这导致高径比(AR：aspect ratio，高度：直径)为4.0、4.5和5的柱。对于所有模板，孔从中心到中心的距离为800μm。在铣削过程之后，用异丙醇清洗模板，并通过多次最终成型除去铣削过程的可能残留物。
样品由具有10:1比例的预聚物和交联剂的聚二甲基硅氧烷(PDMS，Sylgard 184，Dow Corning)制备。所有样品均通过将模板填充以PDMS、混合的PDMS来制备。之后，在干燥器中进行除气，直到看不到气泡。样品在75℃下固化2小时。
2.变宽的端面的制造
变宽的端面(也称为“蘑菇头”)借助自设计的装置制造。这允许精确地控制样品用以浸没和挤压。
该过程如图2所示。在第一步骤中，将基底120硅烷化。将基底与含有1μL三氯(1H，1H，2H，2H-全氟辛基)硅烷的容器一起放入干燥器中，并将混合物抽真空，直至硅烷完全蒸发。然后将基材在95℃下在炉中处理30分钟。在此得到具有硅烷层110的基底120。
在下一步骤中，预聚物和用于PDMS的交联剂以10:1(重量比)的比例混合，并且在干燥器中除去气泡，然后将0.5ml的脱气的PDMS 135放置在直径为35mm的基底的中心，并且基底以300rpm的速度、以5000rpm/s的加速度旋转300s。从而得到0.5mm厚的由液态PDMS构成的层130。
在1中制备的样品100的端面被浸入该层130中。由此得到的样品100，其在端面上具有PDMS 132构成的液滴。
下一步骤中将样品100在加热至100℃的硅烷化玻璃基底140上压制10分钟。这样得到具有加宽的端面的样品104。
3.具有两种类型的突起的样品的制造
该过程在图3中显示。
在第一步骤中，将PDMS134的液滴施加到样品104的特定端面。这可以通过移液管或其它辅助装置137进行。样品104然后以液滴134在硅烷化的被加热至100℃的玻璃基底140上压制10分钟。由此在经处理的端面上形成锥形的变宽结构。经处理的突起同时略微延长。所得到的样品105因此具有高度不同的两种类型的突起。样品105的所有突起均具有加宽的端面(“蘑菇头”)。
图4示出样品105的示意图。
图6在a)中示出了具有两种类型的突起的样品的示意图。LP代表较高的，SP代表较低的突起。尺寸标注表示测量表1中给出的直径和高度的数据的测量位置。视图b)示出了样品中的突起的布置。因此，样本包括7个LP和12个SP突起。每种类型的突起伸展成可能的接触面积。通过端面加宽可以显着增加端面的直径。原则上，较高突起(LP)的端面在垂直高度Δh LP处伸展成第一接触表面。较矮的突起(SP)的端面在垂直高度Δh SP处伸展成第二接触表面。两个接触表面彼此平行并且平行于其上布置有突起的表面。
图7示出了在没有加宽的端面的情况下由PDMS最终成型后的样品的照片。图8显示了来自图7的完全处理的样品，其具有加宽的端面和对应图6的两种类型的突起(SP和LP)。用光学显微镜(具有VH-Z20R/W透镜的Keyence VHX-2000D)测定突起的高度。表1显示了测量值。
4.粘附测量
所述测量借助按照“Kroner,E.；Blau,J.；Arzt E:An adhesion measurementsetup for bioinspired fibrillar surfaces using flat probes,Review ofScientific Instruments 2012,83”所述的装置进行。将PDMS样品放置到玻璃支架上并固定在可以高精度地移动和倾斜的样品架中。通过使用激光干涉测量法测量具有2524N/m的弹簧常数的金属悬臂的弯曲来确定力。悬臂具有光滑、平坦和对准的玻璃测试体(基底)。为了测量，样品以一定的速率移动到基底上。接触后，设定预定的(正)预负载(preload)。此后，将样品再次从基底移开。在此(负的)拉脱力被测量。实验以20μm/s和60μm/s的样品速度进行。预负载被这样设置，即有表现力的、取决于预负载的拉脱力被测量。用光学摄像机监测所有测量。在三个不同的旋转角度(0°，120°和240°)下、相对于垂直于基底的旋转轴测量所有样品。因此，由于样品相对于基底的未对准而产生的影响应该被最小化。
对于所有样品借助上述装置进行测量。图9示出了具有低(A)，中等(B)和高预负载的三个示例性测量的力-位移曲线。将样品移动直到接触到基底上。此后，将样品进一步向基底移动。压力负荷的最大值被定义为相应测量的预负载。此后，样品再次从基底移开。所测量的最大力被认为是拉脱力。图9的b)放大地示出了图9的a)的拉伸应力的区域。点线/实线(A)显示了在低预负载下的测量。此测量显示结构化样品典型的图案。它显示了在压缩区域(朝向基底的移动)中均匀的曲线和在拉伸应力(远离基底的移动)区域中的锯齿状曲线。与视觉观察一起，各个最小值可以对应于各个突起(LP)的脱离。在图1的情况中有7个脱离。预负载不足以也使得第二类型的突起(SP)与基底接触。
短划线/实线(B)示出了具有中等预负载的测量。样品最初只与更高的投影(LP)接触。该曲线在该区域中显示与在较小预负载时相同的走向。然后，在约0.08N的力时，曲线的斜率突然增加。视觉观察表明，通过该力，较短的突起(SP)到达基底。这意味着较长的突起(LP)相应地被强烈压缩。预负载再次略微增加，然后将样品再次从基底上移开。在附图中显示，在拉力负载的范围中测量到显著更高的拉脱力。此外，19个最小值可对应于各个突起。视觉观察表明，首先，较短的突起(SP)脱离，然后是较长的突起(LP)脱离。
第三曲线(C)显示了在高预负载下的测量，显示出明显不同的走向。当负载低时，曲线遵循中等预负载的走向，即初始斜率较小，并通过接触较短的突起(SP)而斜率增大。在达到一定临界负荷(约0.8N)时到达最大预负载。进一步的位移导致负载减小。视觉观察表明这是由于突起的可逆弯曲所致。在负载减小期间，曲线显示清晰的滞后。视觉观察表明，突起最初采用它们原始的直线形式。如果进一步降低载荷并施加拉伸载荷，则样品立即从基底脱离，在一些情况中甚至在达到初始位置之前已是如此。曲线中最小值的数量要少得多，并且最小值被抹去。所导致的拉脱力非常低。
图10用样品的相关图像示出了在测量的不同阶段中的高预负载的测量。在1处，样品移动到表面上。在此出现接触并力增大。在2处，因为较短的突起也与基底接触，曲线的斜率增加。在3处，达到最大预负载，并且突起开始弯曲并屈服。这导致力的减小5。同样在后退运动6中，当突起再次呈现直线形状时，力最初减小然后再次上升7。在8处，在样品无强粘附地9从基底脱离之前，力继续下降。
图11-13总结了三种不同高径比(AR)(AR 4.0，AR 4.5，AR 5.0)的所有粘附实验，速率为20μm/s和60μm/s。样品对应于具有低预负载(A)，中等预负载(B)和高预负载(C)的测量。
由实验可以得出以下结论。
·对于每个经测试的高径比，可以根据预负载(A，B，C)检测三种类型的粘附控制。低预负载导致较低的拉脱力，中等预负载导致过高的拉脱力和高预负载导致非常小的拉脱力。即使在某些情况下，A的拉脱力与C相似，总体趋势也可以明显被识别。
·测量过程中样品的移动越快，拉脱力就越小。对于具有AR 4.0的样品，拉脱力相似。对于其他具有AR 4.5和5.0的样品，存在显着差异。
·随着高径比的增加，拉脱力减小。具有AR 4.0的样品具有最高的粘附性，而具有AR 5.0的样品显示出明显较低的粘附性。
按照本发明的样品的粘附性的各种类型如下所述。
在低预负载下，只有最长的突起与基底接触。因此，样品的粘附性原则上取决于长突起的数量。因此在低预负载时，更多的端面可用于粘附。
在中等预负载时，负载导致较长突起的压缩，直到较短的突起与表面接触。这导致与基底接触的突起的数量的突然增加。这基本上有两个效果。一方面，样品的有效刚度增加。这表现在力/位移曲线的斜率的增大。另一方面，样品的接触面积突然增大。这导致拉脱力和粘附作用的显着增加。与在低预负载下的粘附性不同，可预期的是，用于中等预负载的粘附力还取决于参与了接触的突起类型的数量、突起类型之间的高度差和高径比。
当预负载超过一定数值时，突起开始弯曲和弯折。这优选是可逆的。
弯曲也对突起的端面产生影响。结果，端面与基底失去接触，粘附力降低。
5.粘附性的分析
样品具有两种类型的、具有两个不同的端面垂直高度的突起。
当预负载Pp低于极限值Pp,1时，负载不足以这样压缩较长的突起LP，使得较短的突起SP与表面接触。拉脱力Pc然后简单地取决于与表面接触的LP的数量nLP乘以对于每个突起LP来说为脱离所需的粘附力FLP：
对于Pp<Pp,1，Pc＝FLP*nLP (1)，
一旦到达负载Pp,1，第二类型的突起SP与表面接触。根据突起数(nSP)，这些突起以附加力FSP有助于粘附。然而，较长的突起LP必须被压缩以允许其它突起的接触。这种弹性能量储存在LP中并降低粘附性。由此产生的通过存储的能量施加在表面上的力等于用于压缩突起的力Fcompr.LP乘以LP的数量：
对于Pp,1<Pp<Pp,2Pc＝FLP*nLP+FSP*nSP-Fcompr.LP*nLP (2)，
其中Pp,2是突起开始弯曲时的负载。
在预负载高于Pp,2时，拉脱力下降到“压曲拉脱力”Pc,buck。
对于Pp>Pp,2，Pc＝Pc,buckling*(nLP+nLP) (3)。
因此，通过测量短突起和长突起的粘附力以及长突起的压缩所需的力，可以确定用于描述这种样品的可切换粘附的所有必要参数。突起的粘附力FLP和FSP用于对于圆形的突起取决于半径r和高径比AR。用于压缩的力Fcompr.LP主要取决于突起的高径比AR和弹性模量E。突起之间的耦合或突起弯曲的可能的长度依赖性是可以想到的，但是在该简化模型中没有描述。
如图11至图13所示，高径比和速度影响样品的粘附力。在本发明中发现，高径比增加导致了粘附性降低。虽然AR 4.0和4.5的差异可以忽略不计，但是具有AR 5.0的样品显示出明显更低的粘附性。一个可能的解释可能是关于弯曲和弯折，较长的突起比较短的突起更不稳定。这可以通过调整E模量来纠正。
速度依赖性也可以由所使用的材料PDMS来解释。PDMS可以在0.1和100Hz之间的负载频率下显示出粘弹性性能。一方面，这可以改变压缩过程中的弹性，但也可以改变表面的接触。两种效果都会影响粘附性。
图14、图15、图16、图17、图18和图19分别显示了在各种速度下各自的高径比AR4.0，AR 4.5和AR 5.0的3个样品的所测拉脱力作为预负载的函数。所得到的结果分配给各种粘附模式(A、B或C)。al，a2，a3分别表示与粘附模式A相关联的样品1、2和3的测量(即，低预载荷，仅通过LP的粘附)。测量值b1，b2，b3表示与粘附模式B关联的样品1、2和3的测量(即中等预负载，通过SP和LP的粘附)。测量值cl，c2，c3表示与粘附模式C关联的样品1、2和3的测量(即高预负载，粘附力由于突起的弯曲和弯折而降低)。
表1
附图标记清单
100 结构化表面
104 带有具有加宽端面的突起的结构化表面
105 具有两种类型的突起的结构化表面，它们垂直高度不同
110 用于钝化的硅烷层
120 基底
130 液态PDMS
132 PDMS的液滴
134 PDMS的液滴
135 PDMS
137 施加PDMS的工具
140 加热的表面
200 结构化的表面
205 表面
210 杆/突起
215 端面
220 杆/突起
225 端面
230 基底
500 突起
502 端面
504 基面
506 重叠区域
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Claims (7)

1.一种具有可切换的粘附性的固体的结构化表面，其中，所述表面具有包括多个突起的结构，所述多个突起至少分别具有杆，其中所述杆具有背离所述表面的端面，其特征在于，
所述多个突起包含至少在所述端面的垂直高度方面不同的至少两种类型的突起；并且
所述突起的材料具有这样的弹性模量，使得根据负载，一种或多种类型的突起通过其端面形成粘附力，所述粘附力比通过突起的当前压缩而施加的力更大；并且
至少一种类型的突起具有这样的高径比，使得当超过一定负载时这些突起弯折，并且粘附力通过端面的弯折而急剧减小。
2.按照权利要求1所述的结构化表面，其特征在于，至少一种类型的突起具有加宽的端面。
3.按照权利要求1所述的结构化表面，其特征在于，突起的高径比在1至100之间。
4.一种用于表面改造对象以获得具有可切换粘附性的表面的方法，其中所述表面经过结构化以形成多个突起，所述多个突起至少分别具有杆，其中所述杆具有背离所述表面的端面，其特征在于，
所述多个突起包括至少在相对于所述表面的端面垂直高度方面不同的至少两种类型的突起；并且
所述突起的材料具有这样的弹性模量，使得根据负载，一种或多种类型的突起通过其端面形成粘附力，所述粘附力比通过突起的当前压缩而施加的力更大；并且
至少一种类型的突起具有这样的高径比，使得当超过一定负载时这些突起弯折，并且粘附力通过端面的弯折而急剧减小。
5.一种用于制造结构化表面的方法，所述表面具有至少在其垂直高度方面不同的至少两种类型的突起，所述方法包含以下步骤：
a)提供包括至少一种类型的突起的结构化表面，
b)将可固化材料施加到所述突起中的至少一部分突起的端面上，
c)将具有可固化的材料的突起与用于增高的突起的端面的模板相接触；
d)在构成增高的突起的情况下使可固化的材料固化；
e)将结构化的表面从所述模板脱离。
6.一种用于切换按照权利要求1至3之一所述的表面的粘附性的方法，包含以下步骤：
a)将根据本发明构造的表面与基底接触，其中根据施加在结构化表面上的力能够区分以下情况：
a1)具有最高垂直高度的突起类型发生接触并形成低粘附力；
a2)压缩已接触的突起直至具有下一较低的垂直高度的突起发生接触，并且粘附力提高；
a3)力被提高至所述突起中的至少一部分突起发生反转弯折并且粘附力急剧下降。
7.两个件的复合体，其中交界部具有根据权利要求1至3之一所述的结构化表面。
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