Adhesion of micropatterned adhesives to rough substrates and at elevated temperatures

Abstract

The gecko is of high interest for scientists due to its ability to attach and to move on different surfaces with various roughnesses. To date, research groups worldwide aim to study adhesion mechanisms of gecko-like structures and to mimic gecko adhesion. However, most investigations have been performed in controlled environments and under near to ideal conditions, which present a significant constraint for transferring the results to applications. Therefore, two important parameters have been the subject of investigations in the present work, the surface roughness and elevated temperatures. For the first time, the impact of roughness on the adhesion of gecko-like, micropatterned structures was systematically studied. Two adhesive regimes, which are dependent on the pillar geometry and the roughness parameters, were discovered: an adhesive and a non –adhesive regime. The influence of the temperature on adhesion was studied on micropatterned samples fabricated out of three materials, which are interesting candidates for industrial applications. Promising correlations were determined between the temperature dependent mechanical properties and the adhesion values: the glass transition temperature was identified as the temperature of maximum adhesion. These results can support the improvement of bioinspired adhesives for industrial applications.

Der Gecko ist für Wissenschaftler aufgrund seiner herausragenden Fähigkeit, sich an verschiedenen Oberflächen zu befestigen und fortzubewegen, ein besonderes Vorbild für temporäre Adhäsionssysteme. Bislang bezieht sich das Ziel vieler Forschungsgruppen darauf Geckostrukturen nachzuahmen und grundlegende Mechanismen zu studieren. Diese Untersuchungen finden jedoch bisher unter nahezu idealen Bedingungen und in einer kontrollierten Umgebung statt, was eine starke Einschränkung bei der Übertragung der Ergebnisse auf industrielle Anwendungen darstellt. Zwei wichtige Parameter waren Gegenstand der Untersuchungen in dieser Arbeit, die Rauigkeit und die Temperatur. Zum ersten Mal wurde der Einfluss der Rauigkeit auf das Adhäsionsverhalten einer großen Anzahl von mikrostrukturierten Strukturen systematisch untersucht. Hierbei wurden zwei Adhäsionsregime, die von der Pillargeometrie und den Rauigkeitsparametern abhängen, festgestellt: das adhäsive und das nicht-adhäsive Regime. Der Einfluss der Temperatur auf die Adhäsion wurde auf mikrostrukturierten Proben aus drei für industrielle Anwendungen sehr interessante Materialien erforscht. Hierbei wurden wichtige Korrelationen zwischen den temperaturabhängigen mechanischen Eigenschaften und den ermittelten Rauigkeitswerten festgestellt. So wurde die Glasübergangstemperatur als die Temperatur der maximalen Adhäsion identifiziert. Diese Ergebnisse können dazu beitragen, bioinspirierte Strukturen für industrielle Anwendungen zu optimieren.