CN113148944B - 一种用于蘑菇头微柱阵列制造的精密蘸取机构及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于蘑菇头微柱阵列制造的精密蘸取机构及方法，包括微调部件、蘸取夹具、工作台、载具和高速摄像机，其中：所述微调部件包括微调旋钮和齿轮；所述蘸取夹具为一个柱状结构，柱状结构的侧面设置有齿条，齿条与齿轮相啮合，柱状结构的底部设置有载物台；所述工作台包括一个箱体和底座，底座位于箱体下方，箱体的顶面开设有上部通孔，箱体的底面开设有下部通孔，蘸取夹具位于箱体内；底座中心处开设有通光孔；所述载具为一个透明平板，透明平板上放置有一个表面光滑的玻璃基板；所述高速摄像机位于通光孔下方。本发明的辅助蘸取机构操作简单，具有较高的精度通过调节微调螺旋，可以对实际接触量进行精确控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于蘑菇头微柱阵列制造的精密蘸取机构，属于先进制造技术领域。
背景技术
近年来，由于蘑菇头微结构仿生黏附材料具有高粘合性、易分离性、可逆性和清洁性而受到人们的广泛关注，众多学者采用模具浇注(Kwak MK,Jeong H E,Suh KY.RationalDesign and Enhanced Biocompatibility of a Dry Adhesive Medical SkinPatch.Advanced Materials,2011,23(34):3949-3953.)、手工蘸取法(Isla PY,KronerE.A Novel Bioinspired Switchable Adhesive with Three Distinct AdhesiveStates.Advanced Functional Materials,2015,25(16):2444-2450.)制造蘑菇头状的微柱阵列，但是模具浇注法成本极高，且蘑菇头大小受硅基板的限制，手工蘸取法在蘸取过程中难以精确控制，聚合物表面的液滴大小不一，无法获得均匀平整的蘑菇头结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于蘑菇头微柱阵列制造的精密蘸取机构及方法，以实现蘸取过程中的精确操控，同时还可以实现蘑菇头与微柱不同模量的结合。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种用于蘑菇头微柱阵列制造的精密蘸取机构，包括微调部件、蘸取夹具、工作台、载具和高速摄像机，其中：
所述微调部件包括微调旋钮和齿轮，微调旋钮和齿轮通过刚性杆连接；
所述蘸取夹具为一个柱状结构，柱状结构的侧面设置有齿条，齿条与齿轮相啮合，柱状结构中沿轴向开设有通孔，柱状结构的底部设置有载物台，载物台下表面用于固定聚合物样品，载物台的材质为透光材料；
所述工作台包括一个箱体和底座，底座位于箱体下方，箱体的顶面开设有上部通孔，箱体的底面开设有下部通孔，蘸取夹具位于箱体内，蘸取夹具的上端能够从上部通孔穿出，下端能够从下部通孔穿出，箱体的一个侧壁开设有侧面通孔，侧面通孔用于供刚性杆穿过，齿轮和微调旋钮分别位于箱体内外；底座中心处开设有通光孔；
所述载具为一个透明平板，固定在底座上中心处，透明平板上放置有一个表面光滑的玻璃基板；
所述高速摄像机位于通光孔下方。
所述微调旋钮表面设置有螺纹。
所述底座上设置有两个压片夹，压片夹的一端与底座之间设置有弹簧，压片夹用于固定载具。
所述玻璃基板通过上下两块磁铁固定在透明平板上。
所述玻璃基板表面具有聚四氟乙烯涂层。
一种制造蘑菇头微柱阵列的方法，包括以下步骤：通过将聚合物样品固定在蘸取夹具的载物台上，由微调螺旋通过齿轮、齿条配合控制蘸取夹具升降，通过旋转微调螺旋和高速摄像机配合控制聚合物样品与玻璃基板的实际接触量，并保证其能够精确蘸取，从而制备得到蘑菇头微柱阵列。
所述蘑菇头微柱阵列中，聚合物样品厚度为0.2mm～10mm，直径为1μm～200μm，表面微柱高度为0.1～100μm。
有益效果：本发明的辅助蘸取机构操作简单，具有较高的精度(0.01mm)，通过调节微调螺旋，可以对实际接触量进行精确控制，相比于传统的手工蘸取制备方法，本发明制备的蘑菇头样品表面更为平整，能够对黏附的表面产生更高的粘附力，并且在制备时可以实现蘑菇头与微柱之间不同模量的结合。
附图说明
图1为聚二甲基硅氧烷样品的SEM图；
图2a为微调螺旋的结构示意图；
图2b为蘸取夹具的结构示意图；
图2c为工作台的结构示意图；
图2d为载具的结构示意图；
图3为本发明的用于蘑菇头微柱阵列制造的精密蘸取机构的整体示意图；
图4a为手工蘸取的样品的SEM图；
图4b至图4d为通过本发明的精密蘸取机构蘸取样品的SEM图；
图中，1-微调旋钮，2-齿轮，3-通孔，4-齿条，5-载物台，6-上部通孔，7-侧面通孔，8-下部通孔，9-压片夹，10-通光孔，11-弹簧，12-磁铁，13-玻璃基板，14-刚性杆，15-柱状结构，16-箱体，17-底座，18-透明平板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图3所示，本发明的一种用于蘑菇头微柱阵列制造的精密蘸取机构，包括微调部件、蘸取夹具、工作台、载具和高速摄像机，其中：
如图2a所示，微调部件包括微调旋钮1和齿轮2，微调旋钮1和齿轮2通过刚性杆14连接；微调旋钮1表面设置有螺纹以防止打滑。
如图2b所示，蘸取夹具为一个柱状结构15，柱状结构15的侧面设置有齿条4，齿条4与齿轮2相啮合，齿条4与齿轮2配合控制蘸取夹具上下升降，工作时，通过旋转微调旋钮1带动齿轮2与齿条4配合实现蘸取夹具的升降，从而控制蘸取进给量和实际接触量。柱状结构15中沿轴向开设有通孔3，柱状结构15的底部设置有载物台5，载物台5下表面用于固定聚合物样品，载物台5的材质为透光材料。通孔3用于透光以便于与下部高速摄像机配合。
如图2c所示，工作台包括一个箱体16和底座17，底座17位于箱体16下方，箱体16的顶面开设有上部通孔6，箱体16的底面开设有下部通孔8，蘸取夹具位于箱体16内，蘸取夹具的上端能够从上部通孔6穿出，下端能够从下部通孔8穿出，箱体16的一个侧壁开设有侧面通孔7，侧面通孔7用于供刚性杆14穿过，齿轮2和微调旋钮1分别位于箱体16内外；底座17中心处开设有通光孔10；底座17上设置有两个压片夹9，压片夹9的一端与底座17之间设置有弹簧11，压片夹9用于固定载具，防止其产生位移。上部通孔6和下部通孔8用来控制蘸取夹具在垂直方向上的运动，侧面通孔7用来固定微调螺旋与工作台之间的位置，同时保证其与蘸取夹具进行配合实现其升降。工作台高度与精密蘸取机构整体高度一致。
如图2d所示，载具为一个透明平板18，固定在底座17上中心处，透明平板18上放置有一个表面光滑的玻璃基板13，玻璃基板13通过上下两块磁铁12固定在透明平板18上，磁铁12均采用高强度磁铁，直径为5mm。玻璃基板13表面具有聚四氟乙烯涂层，且可透光。
高速摄像机位于通光孔10下方，通过通光孔10拍摄聚合物样品与光滑玻璃基板表面聚合物旋涂层的接触状况。
在本发明的一个实施例中，精密蘸取机构整体高度为230mm，宽度为150mm。微调螺旋左侧为标准齿轮，分度圆直径为φ50，模数为1.25；蘸取夹具高度为215mm，上部直径为30mm，下端直径为40mm，所述夹具平台直径为50mm；所述载具长度为80mm，宽度为40mm，厚度为1mm。
通过将聚合物样品固定在蘸取夹具的载物台上，由微调螺旋通过齿轮、齿条配合控制蘸取夹具升降，通过旋转微调螺旋和高速摄像机配合控制聚合物样品与玻璃基板的实际接触量，并保证其能够精确蘸取，从而制备得到蘑菇头微柱阵列。
制得的蘑菇头微柱阵列中，聚合物样品厚度为0.2mm～10mm，直径为1μm～200μm，表面微柱高度为0.1～100μm。
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例
采用上述机构进行蘑菇头阵列结构的制造。
步骤1，带有柱形微柱阵列的聚二甲基硅氧烷样品的制备：首先取一片表面镀有聚四氟乙烯层的带微柱阵列的光滑玻璃基板，将购自DOWCORNING公司的聚二甲基硅氧烷样品与固化剂以质量比10:1比例混合，利用磁力搅拌器使其充分混合，形成粘稠的液体，在100℃下对抽真空后的聚二甲基硅氧烷固化2h。
步骤2，聚二甲基硅氧烷薄层的制备：另取少量聚二甲基硅氧烷与固化剂混合，在400rpm的转速下搅拌15min，对其抽真空处理后，利用匀胶机以300rpm的速度旋转，加速度为7500rpm，得到0.5mm厚的液体聚二甲基硅氧烷层，而后将光滑玻璃基板利用磁铁固定在载具上。
步骤3，带有蘑菇头状微柱阵列的聚二甲基硅氧烷样品的制备：将获得的聚二甲基硅氧烷样品与光滑玻璃基板分离，在60℃下保持1h以消除内应力，然后将获得的样品固定蘸取夹具上，通过调节微调螺旋使其与下方带有聚二甲基硅氧烷层的光滑玻璃基板进行接触，通过高速摄像机控制其实际接触量，保证其柱形微柱顶端都有聚二甲基硅氧烷液滴，而后将其放到带有聚四氟乙烯层的光洁光滑玻璃基板上，在60℃下固化30min，即可获得带有蘑菇头状的聚二甲基硅氧烷样品。
手工蘸取的样品图如图4a所示，样品表面微柱上方为倾斜状，并未产生完整的蘑菇头结构，与接触表面产生的粘附面积较小，产生的粘附力较小。较手工蘸取图4a，图4b～图4d为利用本发明的精密蘸取机构制备的蘑菇头状聚二甲基硅氧烷样品，如图4b～图4d所示，样品表面平整，微柱顶端蘑菇头结构均匀，整体结构合理，其上部蘑菇头结构直径为40μm，微柱直径为30μm，微柱高度为60μm，所述样品大小为30mm×20mm，与接触表面产生的粘附面积较大，能产生较强的范德华力。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种用于蘑菇头微柱阵列制造的精密蘸取机构，其特征在于：包括微调部件、蘸取夹具、工作台、载具和高速摄像机，其中：
所述微调部件包括微调旋钮(1)和齿轮(2)，微调旋钮(1)和齿轮(2)通过刚性杆(14)连接；
所述蘸取夹具为一个柱状结构(15)，柱状结构(15)的侧面设置有齿条(4)，齿条(4)与齿轮(2)相啮合，柱状结构(15)中沿轴向开设有通孔(3)，柱状结构(15)的底部设置有载物台(5)，载物台(5)下表面用于固定聚合物样品，载物台(5)的材质为透光材料；所述聚合物样品为带有柱形微柱阵列的聚二甲基硅氧烷样品；
所述工作台包括一个箱体(16)和底座(17)，底座(17)位于箱体(16)下方，箱体(16)的顶面开设有上部通孔(6)，箱体(16)的底面开设有下部通孔(8)，蘸取夹具位于箱体(16)内，蘸取夹具的上端能够从上部通孔(6)穿出，下端能够从下部通孔(8)穿出，箱体(16)的一个侧壁开设有侧面通孔(7)，侧面通孔(7)用于供刚性杆(14)穿过，齿轮(2)和微调旋钮(1)分别位于箱体(16)内外；底座(17)中心处开设有通光孔(10)；
所述载具为一个透明平板(18)，固定在底座(17)上中心处，透明平板(18)上放置有一个表面光滑的玻璃基板(13)；所述玻璃基板(13)的表面具有聚二甲基硅氧烷层；
所述高速摄像机位于通光孔(10)下方。
2.根据权利要求1所述的用于蘑菇头微柱阵列制造的精密蘸取机构，其特征在于：所述微调旋钮(1)表面设置有螺纹。
3.根据权利要求1所述的用于蘑菇头微柱阵列制造的精密蘸取机构，其特征在于：所述底座(17)上设置有两个压片夹(9)，压片夹(9)的一端与底座(17)之间设置有弹簧(11)，压片夹(9)用于固定载具。
4.根据权利要求1所述的用于蘑菇头微柱阵列制造的精密蘸取机构，其特征在于：所述玻璃基板(13)通过上下两块磁铁(12)固定在透明平板(18)上。
5.根据权利要求1所述的用于蘑菇头微柱阵列制造的精密蘸取机构，其特征在于：所述玻璃基板(13)表面具有聚四氟乙烯涂层。
6.一种基于权利要求1所述的精密蘸取机构制造蘑菇头微柱阵列的方法，其特征在于：包括以下步骤：通过将聚合物样品固定在蘸取夹具的载物台上，由微调螺旋通过齿轮、齿条配合控制蘸取夹具升降，通过旋转微调螺旋和高速摄像机配合控制聚合物样品与玻璃基板表面的聚二甲基硅氧烷层的实际接触量，并保证其能够精确蘸取，从而制备得到蘑菇头微柱阵列。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述蘑菇头微柱阵列中，聚合物样品厚度为0.2mm～10mm，直径为1μm～200μm，表面微柱高度为0.1～100μm。
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