CN102149529A - 用于注塑成型具有疏水性图案的产品的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于注塑成型具有疏水性图案的产品的装置和方法，所述装置和方法允许大量生产具有疏水性表面的产品以及在该产品上清楚地形成疏水性图案。所述方法包括如下步骤：对安装有印模的模具进行加热，该印模上形成有疏水性图案；使所述模具与其他模具紧密接触，以封闭所述模具的内部；将预定的树脂材料注入所述模具的内部；以及，所述冷却模具，并分离所述模具。

Description

用于注塑成型具有疏水性图案的产品的装置及方法

技术领域

本发明涉及用于注塑成型具有疏水性图案的产品的装置及方法，更具体地，本发明涉及用于注塑成型具有疏水性图案的产品的如下装置及方法：该装置和方法允许大量生产具有疏水性表面的产品。

背景技术

通常，可通过测量表面的接触角来测量材料表面对液体的润湿性。

润湿性是材料表面与液体分子之间的相互作用(液体对固体表面的吸附)，该相互作用是固体与液体之间的附着力与液体分子之间的内聚力之间的竞争状态。

如果液体分子之间的内聚力强于固体与液体之间的附着力，则润湿性低，而如果液体分子之间的内聚力低于固体与液体之间的附着力，则润湿性高。

如果该液体是水，则具有高润湿性的表面被称为亲水性表面，而具有低润湿性的表面被称为疏水性表面。具有高于90度的接触角的表面被称为疏水性表面，而具有大于150度的接触角的表面被称为超疏水性表面。

通常，根据该表面本身的化学特性、该表面的微型尺寸/纳米尺寸结构，该表面的疏水性是固定的。

由于具有疏水性表面的材料在自清洁、防雾、和减小由流体引起的摩擦等方面极好，所以具有疏水性表面的材料广泛用于需要这种效果的工业领域。

由于W.Barthlott和C.Neinhuis在1997年报告了在自然界中生长的具有超疏水性的多种植物叶子、植物叶子的各种表面形状、和由叶子的各种表面形状所引起的各种现象，使得近年来引起了通过改变表面的结构特性来形成具有超疏水性的表面图案的许多方法，这被称为仿生学。

发明内容

技术问题

然而，用于形成疏水性表面的大部分现有技术的方法包括通过复杂的化学工艺来改变表面形状、或改变材料的表面能。

这些化学方法需要许多种繁复的工艺，或者具有处理对人体有害的化工品的危险。

或者，工艺本身昂贵或需要长的时间，并且在通过某些方法形成表面的情况下，当该表面暴露于大气中时，该表面由于灰尘污染而丧失疏水性。

同时，尽管除了化学方法之外还存在有通过热印或铸造来在产品表面上形成疏水性图案的方法，但考虑到时间和成本，这些方法也不令人满意。

问题的解决方案

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种用于注塑成型具有疏水性图案的产品的装置及方法，该装置和方法使得能够实现具有精确的疏水性图案的产品的快速生产。

为了实现这些目的及其他优点并且根据本发明的目的，如在此体现和广泛描述的，用于注塑成型具有疏水性图案的产品的方法包括如下步骤：加热多个模具中的安装有印模的模具，所述印模上形成有疏水性图案；使所述安装有印模的模具与其他模具紧密接触，以封闭所述模具的内部；将预定的树脂材料注入所述模具的内部；以及，冷却所述模具，并分离多个模具。

所述疏水性图案形成为具有150°至180°的表面接触角的超疏水性图案。

对模具进行加热的步骤包括如下步骤：在模具的表面温度变成预设温度之前，利用模具中的加热器来加热该模具。

该预设温度在如下范围内，该范围是从120℃至所注入的树脂的熔化温度。

该预设温度在120℃至180℃的范围内。

在模具的表面温度达到该预设温度之后，执行使所述模具接触的步骤。

就在注入树脂之后，执行冷却所述模具的步骤。

在冷却所述模具的步骤中，通过使冷却模具与所述模具接触来进行所述模具的冷却，该冷却模具安装成能够与所述模具接触。

在本发明的另一方面，用于注塑成型具有疏水性图案的产品的装置包括：模具，该模具具有空腔；印模，该印模位于所述空腔中并具有疏水性图案；以及温度控制单元，该温度控制单元用于控制所述模具的温度。

印模上的疏水性图案被形成为与液体具有大于150°但低于180°的表面接触角。

所述温度控制单元包括：加热器，该加热器位于所述模具中；冷却模具，该冷却模具安装成能够与所述模具接触，以冷却该模具；以及冷却模具驱动器，该冷却模具驱动器用于驱动所述冷却模具。

所述加热器设置成在模具的表面温度达到被注入所述模具中的树脂的熔化温度之前加热所述模具。

所述模具包括：第一模具单元，该第一模具单元具有空腔；以及第二模具单元，该第二模具单元安装成与第一模具选择性地接触，其中，所述冷却模具容纳在第二模具单元中，以能够在该第二模具单元内移动。

所述装置还包括：安装至第二模具的第一磁体以及安装至冷却模具的第二磁体，从而，所述冷却模具和第二模具单元通过磁力而彼此接触或彼此移离；以及引导构件，该引导构件安装在第二模具单元中，用于引导所述冷却模具的移动。

所述第一磁体和第二磁体中的一个为电磁体，而另一个为永磁体。本发明的有利效果

本发明具有以下有利效果：

能进行具有疏水性或超疏水性图案的成型产品的快速大量生产，以提高这种成型产品的经济性和生产率。

高温加热和快速冷却允许将疏水性图案顺利摹制在所述成型产品上，从而提高该产品的可靠性。

附图说明

所包括的附图用于提供对本公开的进一步理解并且并入本申请中且构成本申请的一部分，这些附图示出了本公开的实施例并与说明书一起用于说明本公开的原理。

在附图中：

图1a至图1d分别示意性图示了随表面接触角而变化的液滴的形状；

图2a至图2f示意性图示了如下截面，这些截面示出了根据本发明优选实施例的、用于制作具有疏水性图案的印模的方法的步骤；

图3至6图示了多个侧视图，这些侧视图示出了注塑成型装置和利用该注塑成型装置的注塑成型步骤；

图7图示了如下的流程图，该流程图示出了根据本发明优选实施例的、用于注塑成型具有疏水性图案的产品的方法的各个步骤；

图8a至图8c分别图示了具有疏水性图案的自然物质、为此形成的印模、以及注塑成型产品的表面的放大照片；

图9图示了通过现有技术的普通模具复制的注塑成型产品的表面的放大照片；

图10图示了通过本发明的高温模具形成的注塑成型产品的表面的放大照片；

图11图示了如下表格，该表格示出了随着模具温度和附加压力而变化的接触角。

具体实施方式

现在，将对本发明的特定实施例进行详细参照，这些实施例的示例在附图示出。只要可能，在所有附图中，将使用相同的附图标记来表示相同或相似的部件。

图1a至图1d分别图示了随表面接触角而变化的液滴的形状。

表面接触角是这样一种角度：当液体在固体表面上处于动态平衡时，液体的与固体表面接触的部分相对于切线的角度。

参考图1a至1d，在液体曲线部的末端与固体表面的接触点处测量表面接触角，在该接触点处，液体、固体和气体相接触。因此，在图1a的情况下，表面接触角Q接近于0，在图1b的情况下，表面接触角Q在0°至90°之间，而在图1c的情况下，表面接触角Q在90°至180°之间。

在图1d的情况下，表面接触角Q接近于180°。

因此，如果表面接触角大于90°，则该表面是疏水性的，而如果表面接触角大于150°，则该表面是超疏水性的。因此，随着表面接触角变得越大，由于固体与液体之间的接触面积减少得越多，从而液体对固体的附着力减小得越多，所以液体能在固体的表面上自由移动。

图2a至图2f示意性图示了如下截面，这些截面示出了根据本发明优选实施例的、用于制作具有疏水性图案的印模的方法的步骤。尽管在此使用的自然物质是荷叶，但该自然物质不限于此，而是也可以使用竹叶、枫叶、郁金香叶、稻叶等。

特别地，如果液体出现在荷叶的表面上，其表面上具有超疏水性图案的荷叶会形成表面接触角大于150度的液滴，从而该液滴不会粘附在荷叶表面上，而是向下流。

因此，选择荷叶作为具有疏水性或超疏水性图案的、易于从自然物质中获得的一种物质。

将详细描述用于制作如下印模的方法中的步骤，该印模具有自然物质的疏水性图案。

通过将诸如铬、金或银的导电材料沉积在衬底上，可以在如图2a所示的衬底上形成如图2b所示的第一导电层B。

优选地，该衬底A为硅衬底。

参考图2c，具有疏水性图案的荷叶C利用粘合剂D附接到在衬底A上沉积的第一导电层B的上表面。优选的是，该粘合剂为环氧基粘结剂。

参考图2d，由于类似荷叶等的自然物质没有导电性，所以通过将金离子涂覆至足以正确复制该疏水性图案并且顺利进行稍后描述的金属涂覆步骤的厚度，在荷叶C的上表面以及第一导电层B的上表面上形成第二导电层E。

参考图2e，通过电涂覆，在第二导电层E的整个表面上以及具有疏水性图案的荷叶C的整个表面上形成金属涂层F。作为用于金属涂覆的材料，尽管可使用镍、铜、金、银、锌等，但涂覆材料不限于此。

如果完成金属涂覆从而完美地形成了金属涂层F，则执行拆模步骤，以从金属涂层F上移除衬底A、第一金属涂层B、第二金属涂层E、以及具有疏水性图案的荷叶C，从而完成如图2f所示的、具有与预定的疏水性图案相反的反转图案的金属印模500。

将描述通过使用具有疏水性图案的印模来注塑成型具有疏水性图案的装置及方法。

将参考图3来描述应用了本发明的注塑模具的注塑成型装置。

本发明的注塑模具包括：第一金属模具单元10和第二金属模具单元20。第一金属模具10具有空腔11，该空腔11是用于将熔融树脂引入到其内的空间。

优选的是，第一金属模具单元10内置有：诸如第一加热器13的加热装置，该加热装置用于防止树脂在注塑成型时固化；以及冷却水流道12，该冷却水流道12用于使冷却水通过该冷却水流道12而流动。

第二金属模具20内置有：第二加热器22，该第二加热器22用于加热第二模具单元20；以及冷却模具30，该冷却模具30位于第二加热器22的后面，用于冷却第二模具单元20。

冷却模具30以可移动方式安装在壳体25中，该壳体25分离地设置在第二模具单元20中。壳体25内设置有引导构件40，该引导构件40用于引导冷却模具30的移动。

冷却模具30和第二模具单元20分别安装有电磁体35和永磁体59，向电磁体35施加预定强度的电流，以在该电磁体与永磁体之间产生吸引力或斥力，从而在产生吸引力的情况下使冷却模具30与第二模具单元20接触，由此冷却该第二模具单元20。

冷却模具30中形成有冷却水流道33，用于在需要冷却第二模具单元20时将冷却水引入该冷却水流道33中。如果将冷却水引入该冷却水流道33中，则能快速冷却第二模具单元20和印模500。

因此，填充在第一模具单元10和第二模具单元20中的树脂固化，以形成具有与印模上的疏水性图案相反的反转图案的形状。该反转图案可以是与作为原型的荷叶或其他自然物质的疏水性图案一样的图案。

同时，还存在有：第一模具支撑块58，该第一模具支撑块58位于第一模具单元10的一侧，用于支撑该第一模具单元10；以及第二模具支撑块60，该第二模具支撑块60与第一模具支撑块58间隔开一定距离，用于支撑第二模具单元20。

在第二模具30的后面，存在有从第二模具支撑块60突出的模具移动单元38，用于使第二模具单元20向第一模具单元10移动或移离该第一模具单元10。

在第一模具支撑块58的一侧，存在有用于使熔融树脂朝向第一模具单元10移动的树脂供应单元80，在该树脂供应单元80上安装有用于接收熔融树脂的料斗70。

为了将熔融树脂从料斗70的出口引导至第一模具单元10，存在有穿过该树脂供应单元80、第一模具支撑块60和第一模具单元10的树脂流道82。尽管未示出，但优选的是，该树脂流道82具有用于将熔融树脂快速输送至第一模具单元10的另外的输送单元。

在第一模具支撑块58、第二模具支撑块60和树脂供应单元80下方，存在有用于支撑它们的基块84。

同时，在第二模具单元20的一侧存在有印模500，该印模500上设有疏水性图案，而在第二模具单元20一侧的表面处存在有设于该第二模具单元20上的印模附接部20a，用于将印模500附接至该第二模具单元20。

尽管该附图为了清楚示出疏水性图案510而示出了印模上的疏水性图案510的放大视图，但该疏水性图案510肉眼不可见。

优选的是，印模附接部20a具有诸如保持器(未示出)或夹具(未示出)等的固定装置，用于紧固该印模，以使其在印模500和熔融树脂在注塑成型过程中彼此接触时不改变位置。

由例如镍的金属形成的印模500在被加热之前处于通常状态，其表面温度明显比在注塑成型中使用的熔融树脂低。

因此，由于存在如下问题：即，如果使具有较低温度的印模500和具有较高温度的熔融树脂接触，则树脂会在疏水性图案510完美摹制到树脂上之前固化，所以需要将印模500和所述模具的表面温度维持在树脂聚合物的熔化温度附近。

因此，需要在预定时段内维持树脂的液体状态，以在液态树脂与印模500接触时在树脂产品上形成与印模上的微型图案相同的图案。因此，需要使印模的表面温度在该时段内处于树脂的融化温度。

同时，该注塑成型装置的基块84设置有温度控制单元85。

由于安装至第二模具单元20的冷却模具30及第二加热器22的主要目的是快速加热和快速冷却该印模500，所以温度控制单元85主要用于进行印模500的表面的快速温度控制。

将描述利用根据本发明第一优选实施例的、具有疏水性图案510的印模500进行的注塑成型。

参考图3和7，把具有疏水性图案510的印模500紧固至第二模具单元20的印模附接部20a(S101)(见图7)。然后，在向操作按钮发出如下指令、即印模500以及第一模具单元10和第二模具单元20的表面温度应高于某一温度时，电流流向第一加热器13和第二加热器22，以通过热阻来加热第一模具单元10和第二模具单元20以及印模500。

该加热温度是预设温度ts，更准确地，是树脂的熔化温度(S102)(见图7)。

在这种情况下，由于电流流向电磁体35从而在永磁体59与电磁体35之间产生斥力，所以第二模具20与冷却模具30彼此间隔开。

然后，确定第二模具单元20是否达到预设温度ts(S103)(见图7)。如果确定第二模具20达到预设温度ts，则如图4所示，在维持第二模具单元20与冷却模具30之间的间隔状态并且维持第一模具单元10、第二模具单元20及印模500的被加热状态的同时，第二模具单元20向第一模具单元10移动，直至第二模具单元20移动到与第一模具单元10紧密接触，从而在第一模具单元10与印模500之间形成产品形状的闭合空腔11(S104)(见图7)。

参考图5和7，在第二模具单元20与第一模具单元10紧密接触从而形成闭合空腔11的状态下，将熔融树脂R引入到空腔11中，以填充该空腔11并且填充在印模500的疏水性图案510之间，从而按照原状复制所述疏水性图案510(S105)(见图7)。

就在引入该树脂之后，如果关断第一加热器13和第二加热器22，并且在电磁体35与永磁体59之间产生吸引力，则使冷却模具30与第二模具20接触，并将冷却水引入到冷却模具30中的冷却水流道33及第一模具10中的冷却水流道12内，使第一模具单元10、第二模具单元20及印模500冷却，以使填充在空腔11中的树脂固化(S106)(见图7)。

然而，为了提高该产品的耐久性，当在树脂完全固化之前将树脂填充在空腔11中时，可采取施加附加压力的步骤(S107)(见图7)，在该步骤中，将树脂强制注入到空腔11中。

然后，参考图6和7，使第二模具20移离第一模具单元10，以从空腔11中获得具有印模500上的疏水性图案510的产品P(S108和S109)(见图7)。

参考图8，照片(a)示出了荷叶上的具有纳米尺寸的疏水性图案，而照片(b)是在图2a至图2f所示的印模制作过程中形成的金属(镍)印模上的疏水性图案。

照片(c)是形成在通过使用所述注塑成型装置和印模而成型的产品的表面上的疏水性图案的放大图。

参考图8，可知的是，通过使用所述金属印模作为媒介，荷叶上的具有纳米尺寸的疏水性图案被实际上彼此相同地摹制到产品表面上。图8a至图8c分别图示了荷叶的表面状态、其上摹制有荷叶表面的印模的表面、和通过使用该印模而成型的产品的表面状态。

图9图示了通过现有技术的普通模具、从荷叶上的图案产生的成型产品表面上的复制图案的放大照片。并且，图10图示了通过本发明的高温模具、从荷叶上的图案产生的成型产品表面上的复制图案的放大照片。

如图9和图10所示，各表面上的每个图案的形状差异是很明显的。

也就是说，如图9所示，如果通过未经加热的普通模具将荷叶上的图案复制到成型产品的表面，则该成型产品表面上的复制图案模糊且不清楚。因此，疏水性较弱。

相比之下，如果使用所述高温模具来将荷叶上的图案复制到成型产品的表面，则增强了复制品的所述特性。因此，将荷叶上的图案清晰地复制到成型产品的表面上。因此，由于表面接触角增大，所以提高了疏水性。

同时，图11图示了如下表格，该表格示出了在使用预定树脂的情况下随着模具温度和附加压力而变化的接触角。所使用的树脂是具有大约180℃熔点的COC(环烯共聚物)。

参考图11，第一种情形在没有施加附加压力且未对模具进行加热的状态下具有104°的表面接触角，而第二种情形在施加103.3Mpa的附加压力达一秒钟并且不对模具进行加热时具有105°的表面接触角。

同时，第三种情形在附加压力为大约103Mpa并且模具温度维持在180℃时具有153°的表面接触角，而第四种情形在附加压力为大约103MPa并且模具温度维持在200℃时具有151°的表面接触角。

在该试验中，尽管对模具分别以不加热、180℃和200℃为条件而进行，但优选的是，通过对模具加热而形成的树脂温度在120℃与该树脂的熔点之间。

详细地，优选的是，树脂温度在120℃至180℃的范围之内。

如果考虑到以上四种情形，则可知的是，在利用具有预定模具的注塑成型装置进行注塑成型的情况下，如果将模具温度维持在比预定温度(例如树脂的熔化温度)高的温度来获得大于150°的表面接触角，则固体的表面变成超疏水性的。

因此，对于成型超疏水性产品来说，在注塑成型中使模具温度维持高于预定温度、即高于树脂的熔化温度是最重要的。

具有疏水性或超疏水性的产品可用于需要自清洁效果的厨具、衣物、建筑、道路及瓷砖业，并应用于需要减小流阻的航空、轮船和汽车业。

对本领域的技术人员来说显而易见的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，能够对本发明进行各种修改和变型。因此，本发明旨在涵盖本发明的这些修改和变型，只要它们落入所附权利要求及其等同物的范围内。

Claims (15)

1.一种用于注塑成型具有疏水性图案的产品的方法，包括如下步骤：

加热多个模具中的安装有印模的模具，所述印模上形成有疏水性图案；

使所述安装有印模的模具与其他模具紧密接触，以封闭所述模具的内部；

将预定的树脂材料注入所述模具的内部；以及

冷却所述模具，并分离所述模具。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述疏水性图案形成为具有150°至180°的表面接触角的超疏水性图案。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，对模具进行加热的步骤包括如下步骤：在所述模具的表面温度变成预设温度之前，利用所述模具中的加热器来加热所述模具。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述预设温度在如下范围内，该范围是从120℃至被注入的树脂的熔化温度。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述预设温度在120℃至180℃的范围内。

6.根据权利要求3所述的方法，其中，在所述模具的表面温度达到所述预设温度之后，执行使所述模具接触的步骤。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，就在注入所述树脂之后，执行冷却所述模具的步骤。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，在冷却所述模具的步骤中，通过使冷却模具与所述模具接触来进行所述模具的冷却，所述冷却模具安装成能够与所述模具接触。

9.一种用于注塑成型具有疏水性图案的产品的装置，包括：

模具，所述模具具有空腔；

印模，所述印模位于所述空腔中并具有疏水性图案；以及

温度控制单元，所述温度控制单元用于控制所述模具的温度。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述印模上的疏水性图案形成为与液体具有大于150°但低于180°的表面接触角。

11.根据权利要求9所述的装置，其中，所述温度控制单元包括：

加热器，所述加热器位于所述模具中；

冷却模具，所述冷却模具安装成能够与所述模具接触，以冷却所述模具；以及

冷却模具驱动器，所述冷却模具驱动器用于驱动所述冷却模具。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述加热器设置成在所述模具的表面温度达到被注入所述模具中的树脂的熔化温度之前加热所述模具。

13.根据权利要求11所述的装置，其中，所述模具包括：

第一模具单元，所述第一模具单元具有空腔；以及

第二模具单元，所述第二模具单元安装成与第一模具选择性地接触，

其中，所述冷却模具容纳在所述第二模具单元中，以能够在所述第二模具单元内移动。

14.根据权利要求13所述的装置，还包括：

安装至第二模具的第一磁体和安装至所述冷却模具的第二磁体，从而，所述冷却模具和所述第二模具单元通过磁力而彼此接触或彼此移离；以及

引导构件，所述引导构件安装在所述第二模具单元中，用于引导所述冷却模具的移动。

15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述第一磁体和所述第二磁体中的一个为电磁体，而另一个为永磁体。

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