一种基于液晶弹性聚合物的干粘附功能结构及制造工艺的制作方法

本发明属于微纳工程中的干粘附功能结构技术领域，具体涉及一种基于液晶弹性聚合物的干粘附功能结构及制造工艺。

背景技术：

壁虎仅靠脚趾末端精细微纳结构与物体表面间范德华力作用就能轻松自如地爬行于垂直表面和天花板，具有粘附力大、稳定性好、对材质和形貌适应性强、自清洁性好、不会对物体表面造成损伤和污染等优点，称之为干粘附特性。目前，干粘附功能表面替代传统粘附方式已成为仿生爬壁机器人、太空环境/超洁净环境无损精确输运、生物医疗诊断等方面发展的重要方向和趋势。在干粘附结构表面的应用过程中，如何实现高强度粘附与可控脱附是干粘附研究领域的重要方面。德国马普研究院del Campo等人研究发现蘑菇状结构能够实现高强度粘附特性，然而蘑菇状阵列结构由于形貌的对称性，表现出各向等同的粘附强度，无法实现有效可控的脱附；美国卡内基梅隆大学Mentin Sitti教授、美国加州大学圣巴巴拉分校Jacob N.Israelachvili教授等人研究的基于倾斜微结构阵列的各向异性结构功能表面，能够实现干粘附表面的可控脱附，然而前提是以牺牲粘附强度为代价的。因此，如何实现干粘附功能表面高强度粘附和可控脱附的有机统一是目前干粘附结构设计和工艺制造方向面临的困难和挑战。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术的难题，本发明的目的在于提供一种基于液晶弹性聚合物的干粘附功能结构及制造工艺，实现高强度粘附和可控脱附的有机统一。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于液晶弹性聚合物的干粘附功能结构，包含两层结构，顶层为隆起状态的蘑菇状阵列结构，底层为高弹性模量聚合物的凹槽结构。

所述的顶层采用掺杂碳纳米管或石墨烯的液晶弹性聚合物LCE；所述的底层采用的高弹性模量聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA。

一种基于液晶弹性聚合物的干粘附功能结构的制造工艺，包括以下步骤：

第一步，顶层蘑菇状阵列结构的制备：在基材的表面旋涂一层厚度为微米级别的光刻胶，所述的基材为载玻片或Si片，所述的光刻胶为EPG 533或AZ系列光刻胶，利用双面曝光技术在光刻胶层实现蘑菇状阵列的反型结构，进而采用旋涂工艺在反型结构的光刻胶层表面制备一层厚度为微米级别的掺杂碳纳米管或石墨烯的液晶弹性聚合物，利用超声剥离工艺去除与蘑菇状结构粘附在一起的光刻胶，实现基于液晶弹性聚合物的顶层结构的成型；

第二步，底层高弹性模量聚合物的凹槽结构：利用数控加工技术制造PMMA高弹性模量聚合物的凹槽结构，此凹槽结构的侧壁上存在通孔，用于向凹槽内部充入或排出空气；

第三步，复合结构的制造：把第一步制备的顶层蘑菇状阵列结构和第二步制备的底层高弹性模量聚合物的凹槽结构粘结在一起形成复合结构；

第四步，顶层液晶弹性聚合物蘑菇状阵列结构电致动特性的激活：向底层高弹性模量聚合物凹槽结构内充入空气，导致顶层蘑菇状阵列结构的隆起，保持充入空气的状态下，施加紫外光照射顶层蘑菇状阵列结构，实现顶层蘑菇状阵列结构隆起状态的固定，然后排出底层高弹性模量凹槽结构内的空气，制造出隆起状态的液晶弹性聚合物的顶层蘑菇状阵列结构和底层高弹性模量聚合物凹槽结构复合的功能结构。

本发明的有益效果：本发明的基于液晶弹性聚合物的干粘附功能结构，能够在保持蘑菇状阵列结构高粘附强度的前提下，利用液晶弹性聚合物的电致动特性，实现干粘附功能结构在电场调控下的可控脱附与粘附，其制造工艺，采用基于光刻、模塑和旋涂的工艺手段，实现各层结构的准确可控制造，本发明的基于液晶弹性聚合物的复合结构可广泛用于带式输送机、机械手、微吸盘等干粘附领域。

附图说明：

图1-1为本发明未施加外部电压时功能结构的示意图。

图1-2为本发明施加外部电压时功能结构的变形示意图。

图2-1为本发明在基材上制备一层光刻胶的结构示意图。

图2-2为本发明利用双面曝光技术在光刻胶层制备蘑菇状阵列反型结构的工艺示意图。

图2-3为本发明在光刻胶层制备的蘑菇状阵列反型结构示意图。

图2-4为本发明在光刻胶蘑菇状阵列反型结构表面旋涂制备一层液晶弹性聚合物的示意图。

图2-5为本发明制造的顶层蘑菇状阵列结构的示意图。

图3-1为本发明制备的底层高弹性模量聚合物凹槽结构的三维示意图。

图3-2为本发明制备的底层高弹性模量聚合物凹槽结构的截面示意图。

图4为本发明复合结构顺序叠加的结构示意图。

图5为本发明液晶弹性聚合物的顶层蘑菇状阵列结构电致动特性激活的工艺示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

一种基于液晶弹性聚合物的干粘附功能结构，包含两层结构，顶层为干粘附效果表现最优的蘑菇状阵列结构2，底层为高弹性模量聚合物的凹槽结构3；所述的顶层采用掺杂碳纳米管或石墨烯的液晶弹性聚合物LCE；所述的底层采用的高弹性模量聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA。

当施加在顶层的蘑菇状阵列结构2上的外部电压U为0时，蘑菇状阵列结构2与接触表面1之间不能紧密接触，表现为小接触面积下的脱附状态，如图1-1所示；当外部电压U不为0时，电场会在蘑菇状阵列结构2内部发生电热效应，产生的热量导致蘑菇状阵列结构2收缩变形，实现蘑菇状阵列结构2与接触表面1的随形贴合，表现为大接触面积下的高强度可靠粘附，如图1-2所示；外加电压再次恢复为0时，蘑菇状阵列结构2在弹性作用下恢复初始形貌，如图1-1所示，由此实现了电场调控的高强度可靠粘附和可控脱附之间的有效转化。

一种基于液晶弹性聚合物的干粘附功能结构的制造工艺，包括以下步骤：

第一步，顶层蘑菇状阵列结构的制备：在基材5的表面旋涂一层厚度h₁为微米级别的光刻胶4-1，所述的基材5为载玻片或Si片，所述的光刻胶4-1为EPG 533或AZ系列光刻胶，如图2-1所示；

利用双面曝光技术，顶部UV光7-1透过掩膜版6实现光刻胶4-1的顶部光刻，得到蘑菇杆径D₁为微米级别，间距D₂为微米级别，杆径高度h₂为微米的光刻区域，底部UV光7-2直接照射基材5，实现光刻胶4-1的底部光刻，得到厚度h₃为微米级别的薄膜层的光刻区域，光刻胶4-1曝光部分交联反应，形成曝光光刻胶4-2，如图2-2所示；

利用显影技术，去除曝光光刻胶4-2，在光刻胶4-1和曝光光刻胶4-2上实现蘑菇状阵列的反型结构，如图2-3所示；

利用旋涂工艺在反型结构光刻胶4-1和曝光光刻胶4-2表面旋涂一层液晶弹性聚合物，留膜厚度h₄为微米级别，实现顶层的蘑菇状阵列结构2的制造，如图2-4所示；

利用超声剥离工艺去除与蘑菇状结构粘附在一起的光刻胶4-1和曝光光刻胶4-2，最终去除光刻胶4-1和曝光光刻胶4-2以及基材5，实现顶层的蘑菇状阵列结构2的可控成型，如图2-5所示；

第二步，底层高弹性模量聚合物的凹槽结构：利用数控加工技术制造PMMA高弹性模量聚合物的凹槽结构3，此凹槽结构3的侧壁上存在通孔，用于向凹槽内部充入或排出空气，凹槽结构3三维示意图如图3-1所示，截面示意图如图3-2所示，长度L₁和宽度W₁为毫米级别，通孔直径D₄为微米级别或毫米级别；

第三步，复合结构的制造：把第一步制备的顶层的蘑菇状阵列结构2和第二步制备的底层高弹性模量聚合物的凹槽结构3粘结在一起形成复合结构，如图4所示；

第四步，顶层液晶弹性聚合物蘑菇状阵列结构电致动特性的激活：向底层高弹性模量聚合物的凹槽结构3内充入空气9，导致顶层的蘑菇状阵列结构2的隆起，保持充入空气9的状态下，施加紫外光8照射蘑菇状阵列结构2，实现蘑菇状阵列结构2隆起状态的固定，然后排出底层高弹性模量的凹槽结构3内的空气9，制造出隆起状态的液晶弹性聚合物的顶层蘑菇状阵列结构2和底层高弹性模量聚合物的凹槽结构3的功能结构，如图5所示。

本发明设计的基于液晶弹性聚合物的干粘附功能结构克服了传统干粘附系统高强度粘附和可控脱附之间有机结合的难题，利用光刻、旋涂、模塑等工艺实现了设计结构的准确可控制造，能够适用于干粘附领域的广泛需求。