Reversible „Gecko“ -Klebstoffe für eine einfache Massenproduktion

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Oberflächen-Elektronenscanner mit Gecko-Adhäsion

Flexible Wände, hier in Blau, einige hundert Mikrometer hoch, emulieren die Oberfläche eines Geckofußes, um die gleiche Art von Haftkraft zu erzeugen – aber viel, viel stärker als die der Tierpfote. Bildnachweis: Georgia Tech / Varenberg Labor

Warum hat der Gecko den Wolkenkratzer bestiegen? Weil es könnte; seine Zehen kleben an fast allem. Seit einigen Jahren kennen die Ingenieure die Geheimnisse der Gecko-Klebrigkeit und emulieren sie in Streifen aus gummiartigen Materialien, die zum Aufnehmen und Freigeben von Objekten nützlich sind. Eine einfache Massenproduktion für den täglichen Gebrauch war jedoch bisher unerreichbar.

Forscher am Georgia Institute of Technology haben in einer neuen Studie eine Methode zur Herstellung von Gecko-inspirierten Klebematerialien entwickelt, die viel kostengünstiger ist als derzeitige Methoden. Dies könnte die Massenproduktion und die Verbreitung der vielseitigen Greifstreifen in der Fertigung und in Privathaushalten ermöglichen.

Polymere mit „Gecko-Adhäsions“ -Oberflächen könnten verwendet werden, um äußerst vielseitige Greifer herzustellen, mit denen auch auf derselben Montagelinie sehr unterschiedliche Objekte aufgenommen werden können. Sie könnten das Aufhängen von Bildern erleichtern, indem sie gleichzeitig an Bild und Wand haften. Staubsaugerroboter mit Gecko-Haftung könnten eines Tages hohe Gebäude hochrutschen, um Fassaden zu reinigen.

„Mit Ausnahme von Dingen wie Teflon wird es an allem haften. Dies ist ein klarer Vorteil bei der Herstellung, da wir den Greifer nicht auf bestimmte Oberflächen vorbereiten müssen, die wir anheben möchten. Von Geckos inspirierte Klebstoffe können flache Gegenstände wie Kisten anheben, sich dann umdrehen und gebogene Gegenstände wie Eier und Gemüse anheben “, sagte Michael Varenberg, Hauptforscher der Studie und Assistenzprofessor an der George W. Woodruff School of Mechanical Engineering von Georgia Tech.

Aktuelle Greifer an Montagelinien wie Klemmen, Magnete und Saugnäpfe können jeweils begrenzte Bereiche von Objekten anheben. Greifer auf der Basis von Gecko-inspirierten Oberflächen, die trocken sind und keinen Klebstoff oder Kleber enthalten, können viele Greifer ersetzen oder nur die Fähigkeitslücken füllen, die andere Greifmechanismen hinterlassen.

Rasiermesser herausziehen

Die Haftung beruht auf Vorsprüngen von einigen hundert Mikrometern Größe, die oft wie Abschnitte kurzer, schlaffer Wände aussehen, die parallel zueinander über die Materialoberfläche verlaufen. Wie sie funktionieren, indem sie die Füße von Geckos nachahmen, wird unten erklärt.

Bis jetzt hat das Formen diese mesoskaligen Wände hergestellt, indem Zutaten auf eine Schablone gegossen wurden, die Mischung reagieren ließ und zu einem flexiblen Polymer aushärtete, um es dann aus der Form zu entfernen. Die Methode ist jedoch unpraktisch.

Gecko Adhesion Surface Electron Scanner Inset

Der Einschub oben rechts zeigt, wie die Gecko-Haftfläche hergestellt wird, indem Labor-Rasierklingen in ein festigendes Polymer gedrückt werden. Die Rasierklingen werden herausgezogen, wobei Vertiefungen zurückbleiben und ein Teil des Polymers nach oben gedehnt wird, was zu flexiblen Wänden führt, die den Gecko-Adhäsionseffekt erzeugen. Bildnachweis: Georgia Tech / Varenberg Labor

„Formtechniken sind teure und zeitaufwändige Prozesse. Und es gibt Probleme, das geckoähnliche Material von der Schablone zu lösen, was die Qualität der Befestigungsfläche beeinträchtigen kann “, sagte Varenberg.

Die neue Methode der Forscher formte diese Wände, indem sie Zutaten anstelle einer Form auf eine glatte Oberfläche gossen, das Polymer teilweise aushärten ließen und dann Reihen von Labor-Rasierklingen hinein tauchten. Das Material setzte sich etwas mehr um die Klingen, die dann herausgezogen wurden, und hinterließ Vertiefungen im Mikrometerbereich, die von den gewünschten Wänden umgeben waren.

Varenberg und der Erstautor Jae-Kang Kim veröffentlichten Details ihrer neuen Methode in der Zeitschrift ACS Applied Materials & Interfaces am 6. April 2020.

Vergessen Sie die Perfektion

Obwohl die neue Methode einfacher als das Formen ist, dauerte die Entwicklung ein Jahr des Eintauchens, Zeichnens und Nachjustierens, während heikle Details unter einem Elektronenmikroskop untersucht wurden.

„Es gibt viele Parameter, die gesteuert werden müssen: Viskosität und Temperatur der Flüssigkeit; Zeitpunkt, Geschwindigkeit und Entfernung des Zurückziehens der Klingen. Wir brauchten genügend Plastizität des Abbindepolymers für die Klingen, um die Wände nach oben zu strecken, und nicht so viel Steifheit, dass die Wände zerreißen würden “, sagte Varenberg.

Gecko-inspirierte Oberflächen haben eine feine Topographie im Mikrometerbereich und manchmal sogar im Nanobereich, und Oberflächen, die durch Formen hergestellt werden, sind normalerweise die präzisesten. Eine solche Perfektion ist jedoch nicht erforderlich. Die mit der neuen Methode hergestellten Materialien haben gute Arbeit geleistet und waren auch ausgesprochen robust.

„Viele Forscher, die Gecko-Adhäsion nachweisen, müssen dies in einem Reinraum in sauberer Ausrüstung tun. Unser System funktioniert einfach in normalen Einstellungen. Es ist robust und einfach, und ich denke, es hat ein gutes Potenzial für den Einsatz in Industrie und Haushalt “, sagte Varenberg, der Oberflächen in der Natur untersucht, um ihre vorteilhaften Eigenschaften in von Menschen hergestellten Materialien nachzuahmen.

Gecko-Fußflusen

Siehe den Fuß des Geckos. Es hat Grate an den Zehen, und dies hat einige in der Vergangenheit dazu gebracht zu glauben, dass ihre Füße durch Saugen oder durch eine Art Umklammern an der Haut haften bleiben.

Elektronenmikroskope weisen jedoch eine tiefere Struktur auf – spachtelförmige Borstenfibrillen ragen einige Dutzend Mikrometer lang aus diesen Graten heraus. Die Fibrillen haben einen so gründlichen Kontakt mit Oberflächen bis in den Nanobereich, dass sich schwache Anziehungskräfte zwischen Atomen auf beiden Seiten enorm summieren und insgesamt eine starke Adhäsion erzeugen.

Anstelle von Flusen haben Ingenieure Reihen von Formen entwickelt, die Materialien abdecken, die den Effekt erzeugen. Eine übliche Form lässt die Oberfläche eines Materials wie ein Pilzfeld mit einer Größe von einigen hundert Mikrometern aussehen. Ein anderes sind Reihen von kurzen Wänden wie in dieser Studie.

„Die Pilzmuster berühren eine Oberfläche und werden sofort angebracht, aber das Ablösen erfordert das Aufbringen von Kräften, die nachteilig sein können. Die wandförmigen Vorsprünge erfordern eine geringe Scherkraft wie einen Ruck oder ein leichtes Greifen, um eine Haftung zu erzielen. Dies ist jedoch einfach und das Loslassen des Objekts ist ebenfalls unkompliziert “, sagte Varenberg.

Das Forschungsteam von Varenberg verwendete die Zeichenmethode, um Wände mit U-förmigen Zwischenräumen und Wände mit V-förmigen Zwischenräumen herzustellen. Sie arbeiteten mit Polyvinylsiloxan (PVS) und Polyurethan (PU). Die in PVS hergestellte V-Form funktionierte am besten, aber Polyurethan ist das bessere Material für die Industrie. Daher wird Vanenbergs Gruppe nun daran arbeiten, das V-förmige Gecko-Greifmuster in PU für die bestmögliche Kombination zu erzielen.

Referenz: „Zeichnungsbasierte Herstellung von scheraktivierten reversiblen Klebstoffen“ von Jae-Kang Kim und Michael Varenberg, 6. April 2020, ACS Applied Materials & Interfaces.
DOI: 10.1021 / acsami.0c01812

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