CN106573280A - 表面微观结构 - Google Patents

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Abstract

一种表面微观结构，包括：表面(2)；位于表面上的多个突起(4)，其中，每个突起具有从该表面的平面向外延伸的基部以及沿着具有一平行于该表面的平面的分量的方向延伸的延伸部，并且其中，上述各突起的长度为0.25～100μm，宽度为0.1～1.5μm。

Description

表面微观结构
技术领域
本发明涉及一种表面微观结构，特别是，但不排他地，涉及一种自清洁(如脱泥)的表面微观结构。该表面微观结构还具有抗微生物、防垢和/或超疏水等特性。
背景技术
如今，人们对于自清洁材料领域的兴趣日渐增加。我们已知的是在玻璃上使用自清洁涂层。这些涂层通常是疏水性或亲水性的。这两种类型的涂层均能在潮湿环境下完成自清洁；疏水材料能够通过滚动液滴完成自清洁，亲水性材料能够通过对携带污垢的水进行成膜而完成自清洁。
希望提供一种具有自清洁特性的新型表面微观结构。
发明内容
第一，本发明提供一种表面微观结构，该表面微观结构包括：表面；位于表面上的多个突起，其中，每个突起具有从该表面的平面向外延伸的基部以及沿着具有一平行于该表面的平面的分量的方向延伸的延伸部，并且其中，上述各突起的长度为0.25～100μm，宽度为0.1～1.5μm。
该表面微观结构具有很好的自清洁特性。特别是，该微观结构可以促使泥浆脱落，且在潮湿环境下尤为显著。这意味着，污垢可以由表面自行脱落，或可轻易被清洗干净。另外和/或或者，该表面为抗微生物表面和/或防垢表面(即，通常能够驱逐生物，或者防止多细胞体附着到该表面)。另外和/或或者，该表面微观结构可以是超疏水的。
该表面为人造表面，且上述突起可在该人造表面上单独成形或也可直接由该人造表面一体成形。该表面微观结构可由人工制成和/或工业制备的结构。上述突起可以为原纤维。
该表面可以是基板(例如设置在柔性片材上的基板)的外表面或上表面。该表面也可以为纤维的表面。
鉴于以上优越特性，该表面微观结构可以应用于期望具有上述自清洁和/或超疏水特性的制品或物体。
根据本发明的表面微观结构可用于多种不同制品，非限制性的列表包括衣服(例如户外服装、防护服等)和鞋类(例如靴子和运动鞋)等衣着服饰。
举例来说，该表面微观结构可被用在训练鞋、跑鞋、足球鞋、橄榄球靴等运动鞋或者其他可能在泥泞环境中穿着的鞋类的两侧或鞋底。这样，即使在泥泞环境中穿着使用后，该微观结构也能帮助保持鞋子的外观洁净。
该微观结构也可被用在坛子、罐子或瓶子等容器的内表面，以帮助清空容器内容物。上述容器可适应食品容器、医用容器、油漆容器等多种不同应用。
该微观结构可以设置为使其上述突起的延伸部朝容器开口方向延伸，来促进容器中被倾倒的内容物的移动。因此，当容器中的产品将被用完时，可以减少由于残留导致的浪费。
因此，第二，本发明提供一种包括表面微观结构的制品，该表面微观结构包括：表面；位于表面上的多个突起，其中，每个突起均具有从该表面的平面向外延伸的基部以及沿着具有一平行于该表面的平面的分量的方向延伸的延伸部，并且其中，上述各突起的长度均在0.25～100μm之间，宽度均在0.1～1.5μm之间。
表面微观结构可以设置在该制品的表面上，以提供具有自清洁、抗微生物、防垢和/或超疏水特性的制品。
该延伸部沿着具有一平行于该表面的平面的分量的方向延伸。也就是说，该延伸部沿与表面的平面成-10～70度角方向延伸，负角度表示该延伸部在该范围内稍微向后朝向该表面突出，而正角度表示该延伸部以远离该表面的角度突出。优选地，该延伸部沿与表面成-5～45度角延伸，更优选地，沿-5～20度角延伸。该延伸部可以沿与表面夹角小于5度的方向延伸。
该延伸部可沿基本平行于该表面的平面的方向，即与表面成0±10度角，更优选地，与表面成0±5度角的方向延伸。该延伸部可以不严格平行于表面的平面而朝向表面或远离表面延伸。
上述基部通常沿远离该表面的方向延伸，优选是相对于该表面向外部延伸，且其延伸角度与延伸部的延伸角度不同。基部相对于表面的延伸角度大于延伸部相对于表面的延伸角度。上述突起呈一大致的角形状，如L形或T形。该突起也可以由基部到延伸部逐渐改变其延伸角度，例如从侧向看，该突起可以是弯曲的。
基部可沿与表面成5～90度角、45～90度角或者大于75度角的方向延伸，即，尽管其优选地沿与延伸部相同或基本相同的方向延伸，但其也可沿具有一与表面平面平行的微小分量的任一方向延伸。基部可沿表面的平面的垂直方向(即，与表面平面成90±10度角)延伸。上述基部也可以略微侧向或向后远离延伸部倾斜。
上述延伸部直接连接至上述基部上，即延伸部和基部之间无任何部分。上述突起为包含基部和延伸部的单一体。基部和延伸部是邻接的。延伸部分可以仅有一端与其他部分连接，即延伸部分的一端不与任何部分连接。换言之，延伸部具有一个自由端。基部可大致沿其长度方向与延伸部连接，而并非通过其一端与之连接。换言之，延伸部具有两个自由端。
基部由表面平面向外部延伸。换言之，基部的一端与表面直接接触。基部与表面为一整体(例如，直接形成于表面上)或者通过粘合剂或焊接直接连接在表面上。这种情况下，各突起均由直接从表面延伸出的基部和直接连接至基部或与基部为一整体的延伸部组成。在这种情况下，延伸部可以具有直接连接至基部或与基部一体形成的一端，和一个自由端。
或者，该表面微观结构还可以包括多个支撑部。例如，每个突起还包括支撑部。该支撑部设置在表面与基部之间。该支撑部与表面为一整体(例如，直接形成于表面上)或通过粘合剂或焊接直接连接在表面上。基部可以直接连接至该支撑部上或者与该支撑部为一整体，延伸部可以直接连接到基部上或与基部为一整体。在这种情况下，延伸部可以具有直接连接至基部或与基部一体形成的一端，和一个自由端。
当每个突起均包含支撑部时，上述各突起可以是三层结构，即上述突起包括支撑部、基部和延伸部，或由以上三个层组成。每个突起可均由延伸出表面的支撑部、安装在支撑部上的基部和具有一个自由端的延伸部组成。在一种结构中，这些部分分别对应于该突起的三个组成部分之一，即，其一为支撑部，其二为基部，其三为延伸部。
每个支撑部优选地限定一个中空结构，水或空气等流体可由该中空结构流过或被截止。每个支撑部可以包括多根支柱，上述多根支柱沿远离表面方向或相对于表面向外延伸并互相连接，以限定一中空支撑结构。例如，每个支撑部可以为一环形结构，比如由延伸出表面且互相连接以形成一环形的两根支柱形成的结构。或者，每个支撑结构可以包括延伸出表面且互相连接以形成一金字塔结构的三根支柱。上述支撑部也可以包含三根以上支柱。
上述每个突起可以均具有大致相同的尺寸，并可以均沿大致相同的方向和/或相同的角度延伸。优选地，这些突起均大致相同。例如，这些突起均可在制造公差允许范围内被视为相同。因此，表面微观结构具有均匀的自清洁特性或其它特性。
上述突起还可以包括多组具有不同尺寸或不同形状的突起，例如，这些组突起可设置为不同类型的突起的线条、区域和/或图案，这使表面在总体上具备所需的自清洁特性或其他特性。两种、三种、四种或更多种不同类型的突起可以互相穿插。有些情况下，可能需要通过选择不同类型的突起，使表面的第一区域具有一种特性，第二区域具有另一种特性。
每个突起大体呈细长状。例如，每个突起的宽度为100～300nm，长度为0.5～2μm。优选地，每个突起的宽度为约200nm，长度为约1.5μm。尽管最佳尺寸取决于多种因素，如突起的材料、突起与表面的夹角、突起的形状、其通常被使用的环境和/或是否包含支撑部等，但已经发现，当其具有上述尺寸时，该微观结构具备非常出色的自清洁特性。
每个突起沿延伸部具有恒定的宽度。或者，每个突起的宽度可沿其长度变化。例如，突起的宽度可以沿其长度减少，到突起的延伸部的端部(突起的自由端)处减少为一个点。当突起宽度为锥形时，上述宽度的尺寸是指最靠近基部端部的延伸部的宽度。
突起可以具有圆形/弯曲的自由端，也可以具有圆形外表面。该外表面优选为光滑的，并且可以包括蜡或油等疏水材料的涂层。
该表面微观结构可以包括涂覆至固体结构(例如预成形结构等)上的具有蜡或其他疏水材料薄涂层。
由该表面上方观察时，基部可以看起来宽于延伸部。一个基部可以支撑多个延伸部，即一个突起可包括一个基部和多个延伸部。当该结构包含支撑部时，一个支撑部可以支撑多个基部，该多个基部又可以分别支撑一个或多个延伸部。
如果不清楚突起长度的含义，那么当由该表面的平面的上方观察时，上述长度尺寸可以指从最靠近表面的突起的端部到距离基部最远的延伸部的端部的每个突起的长度。
每个突起的长宽比在1:0.05至1:0.7之间。该长宽比优选为在1:0.08至1:0.2之间，更加优选为约1:0.1。
每个突起的高度小于5μm，且当突起不包括支撑部时，其高度优选为小于2μm，更加优选为小于1μm。其高度限定为从表面到突起上距离表面最远点的距离。
突起可以以有序的方式排列。多个突起可以为一个突起阵列。例如，当由上方观察时，这些突起可以以多行、六边形或正方形阵列的形式提供。当突起以多行形式排列时，这些行之间可以互相平行。同一行中各突起之间的距离为0.1～10μm。行与行之间的间隙为0.1～10μm，即一行中某一突起的延伸部的端部与相邻行中该突起的基部的起点间的距离可以为0.1～10μm。或者，一行中延伸部的端部可以与相邻行中某一突起的一部分重叠。
当突起包含支撑结构时，各支撑结构与其相邻支撑结构的距离可以至少为0.1μm，即相邻支撑结构之间具有至少0.1μm的间隙。相邻结构间的距离应为0.1～10μm，且优选为0.5～1μm。
突起的排列应使朝向表面的延伸部的表面与该表面之间存在间隙。换言之，延伸部应从表面凸起。或者，延伸部也可以与表面直接接触，即对于突起的大部分长度来说，延伸部和表面之间没有间隙。该替换方案中，延伸部基本抵靠在表面上。
突起由大致刚性的材料制成，例如角蛋白等蛋白质。
突起可以由塑料材料或者聚合物制成，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰胺、聚四氟乙烯(PTFE)、聚苯乙烯、聚氨酯、聚烯烃、聚碳酸酯、聚氯乙烯、橡胶等。或者，突起还可以由玻璃或金属等其他材料制成。制作突起的材料可以是天然材料或人造材料。用于制作突起的材料将取决于用途、制作方法等因素。污垢颗粒也具有相对磨蚀性，因此，选择突起材料时应优选地考虑这一点，以使服装或者更加优选地，运动鞋等鞋类制品上易于积累污垢的位置表面具有耐磨及脱泥特性。
采用该表面微观结构的表面可以是连续平坦表面，例如运动鞋等制品的表面。上述平坦表面是指该表面在上述突起的局部范围内是平坦的，即该表面在突起周围的100μm范围内是平坦的。该表面在宏观尺度下可能并不完全平坦，例如其可能是弯曲的。该表面优选为相对光滑的。或者，该表面可以为纤维(fibre)。该情况下，上述纤维可用于制作制品，如包含该表面微观结构的衣服等。
当从上方观察该表面微观结构时，优选地，该表面超过40％的面积由上述突起覆盖，更加优选地，突起覆盖面积超过50％。突起之间优选具有间隙，这些间隙占据表面面积的20％以上，更加优选地，占据表面面积的30％以上。
上述表面和上述突起可由相同材料制成。这时，突起与表面可为一整体(与通过粘合剂或焊接等接合到表面的单独部件相反)。
该表面微观结构可以由任何适当的方法制成。例如，突起可以由表面冲压形成(如在表面施加印模以形成突起)。可以通过蚀刻或将突起之间的材料移除的工艺来形成突起。也可以通过编织形成突起。或者，可以将表面融化后由表面拉制出突起。如果需要形成基部和延伸部，可以通过熨烫等方法使拉制出的突起朝向该表面变得平展。可以将上述突起制成纤维，并通过熨烫使其达到所需的形状和/或与该表面形成所需角度。
上述表面微观结构可通过将材料沉积到表面上来形成上述突起。例如，可采用3D打印来制作上述突起。
上述表面微观结构可通过自组装技术形成。例如通过将材料涂覆在表面上，或者该表面包括一种能够直接形成或通过聚结而形成突起的材料。
该表面微观结构也可以通过成型法形成。
第三，本发明提供一种制作表面微观结构的方法，该方法包括：提供表面；在该表面上提供多个突起，其中，每个突起具有从该表面的平面向外延伸的基部以及沿着具有一平行于该表面的平面的分量的方向延伸的延伸部，并且其中，上述各突起的长度为0.25～100μm，宽度为0.1～1.5μm。
所制成的表面微观结构可以具有本发明的第一和第二方面的上述一个或多个可选特征。
本方法包括将该表面微观结构应用于制品上，例如服装类或鞋类制品。
本方法包括在表面上冲压出突起。本方法也包括将材料沉积到表面上以形成突起。本方法还包括通过成型法形成突起。
该突起可以配置为使液体能够通过例如毛细管力保持在延伸部下方。这意味着，该种表面微观结构可用于创建表面，该表面能够增强液体在该表面上的滞留。可以通过对基部尺寸，或者更加优选地，支撑部的尺寸进行选择，且表面轮廓配置为促进液体的毛细作用。举例来说，这种表面微观结构可以用于围巾或胸针等制品以保留香水，或者用在绷带上以保留防腐剂。
当该表面具有超疏水性时，例如，其微观结构包含中空支撑结构，则该结构可用于帮助某种相对“致密的”物体在水上漂浮或悬浮。举例来说，这种表面微观结构能够被应用于水上运动器械和游艇设备等。
本发明可在实际中得到广泛应用。例如：鞋子，如训练鞋，威灵顿靴，登山靴，单板滑雪靴，双板滑雪靴，足球鞋，橄榄球鞋或美式足球鞋等；服装，如外套，防护服，工作服，防护服，运动服，军用、服务行业、医用制服或其他制服，游艇服装等；制品，如双板滑雪板，单板滑雪板，雪橇，轮胎，帐篷，园林建筑，园林设施，地毯，室内装潢，家具，背包，睡袋，雨伞，墙壁，屋顶，地板，室外脚手架，隐形眼镜，医疗设备等；部分交通工具，如飞机，汽车，货车，卡车，工程机械，农业机械，船，自行车，气垫船等；发动机零件，石油/石化应用，如油管，石油/石化机器或设备等，以及任何其他希望具有自清洁、抗微生物、防垢和/或超疏水性表面的应用。
上述表面微观结构的脱泥特性的一个潜在优点是能够减少疾病的传播。例如，当一个人，例如一位农民穿着了采用该表面微观结构的衣服或鞋子(如威灵顿靴)，由于其上的泥浆能够被轻易洗去，因此降低了农场疾病的传播风险。
该表面微观结构可直接在品表面上(通过对该制品进行处理，使之包含该表面微观结构)或者也可位于涂覆在制品表面的材料上。
附图说明
以下将结合附图，仅以示例的方式对本发明的某些优选实施例进行更详细地说明，其中：
图1为第一实施例中表面微观结构的平面图；
图2为第一实施例中表面微观结构的侧视图；
图3为第二实施例中表面微观结构的侧视图；
图4为第三实施例中表面微观结构的平面图；
图5a～c为另一实施例中表面微观结构的平面图；
图6a为第四实施例中表面微观结构的平面图；
图6b为第四实施例中表面微观结构的侧视图；
图7a和图7b为第五实施例中的表面微观结构；和
图8a～d为另一实施例中的突起。
具体实施方式
图1为一示例性表面微观结构1，该表面微观结构1包括表面2和多个突起4。更为清楚地，如图2所示，每个突起包括基部6，该基部6向表面2的外部延伸，其上连接有延伸部8，该延伸部8沿与表面2的平面基本平行的方向延伸。
上述多个突起4以多行形式设置(图1中示出两行)。各突起4均沿同方向延伸并基本相同。一行中突起4的端部位于其相邻行中突起4的起点前约100纳米处。
每个突起的长度为L，本实施例中约为1.5μm，是指基部6的起点到延伸部8的端部的距离。每个突起具有一大致恒定的宽度W，本实施例中约为200或300nm，是指该突起一侧到另一侧的距离。
每个突起的高度为H，本实施例中约为0.5μm，是指表面顶部到突起上距离表面最远点的距离。在表面和延伸部8的朝向表面的下侧之间存在间隙G。该间隙G的尺寸与延伸部8的宽度相近，例如约为0.2-0.3μm。
表面微观结构1能够促进潮湿环境下的脱泥(这里所述的“脱泥”包括所有类型的污垢颗粒，例如沙子、粘土或有机物质等)。污垢可以沿图1所示的箭头的方向从表面上洗掉，从而使表面有效地完成自清洁。很多情况下，只需要少量水分就能够促进自清洁。污垢沿突起4的延伸部8的延伸方向从表面被洗掉。
图3为第二实施例的表面微观结构1。该表面微观结构中，除了突起4的延伸部8与表面2接触，即延伸部8与表面2之间没有间隙G之外，其余部分均与图1和图2所示的第一实施例的表面微观结构相同。
由于延伸部与表面的连接方式，该第二实施例的微观结构比第一实施例更为坚硬。其具有与第一实施例相同的脱泥特性，但是该特性可更好地适应更为干燥的环境。
图4为第三实施例的微观结构。其中除了突起4的尺寸外，其余与第一实施例基本相同。第三实施例中，长度L与宽度W的比值更大。图4中，长度L可达到100μm，宽度W可达到1.5μm。
图5a～c为上述突起的排列方式和形状的可能变形。
在图5a所示的实施例中，突起4的宽度沿其长度逐渐变小。如图所示，突起4的宽度沿其长度在延伸部8的端部减小到一点，其可以为一圆形点。
在图5b所示的实施例中，当由上方观察时，突起4为一六边形阵列。每个突起4的宽度沿其长度在延伸部8的端部减小到一点，其为一圆形点。
在图5c所示的实施例中，突起4设置成行。每个突起的宽长比较小，并具有一较大的圆形端部，其尺寸大致与延伸部8的长度相当。
图6a和图6b所示的实施例中，突起4的形状再次发生改变。突起的长度L与宽度W的比值可以更小，即与其他一些实施例相比，其宽度W与长度L更为接近。
本实施例中的突起4在平面图中为盾牌状。
事实上，本发明中的突起4可以具有多种不同的形状。突起形状的一些可能的变化在图8a～8d的横截面图中示出。
图7a和图7b为微观结构1的另一实施例。本实施例中，每个突起4除包含基部6和延伸部8外，还包含支撑部10，即为一横向或纵向的三层结构。
支撑部10为由支柱形成的中空结构，这些支柱由表面2的平面向外延伸并互相连接，以形成上述支撑部10。图7a示出了两条支柱，但是，由于图7为横截面视图，因而该微观结构还可以具有更多未被示出的相对于纸面向内或向外延伸的支柱。
如图7b所示，当由上方观察时，突起4设置成一个六边形阵列(图中仅示出了延伸部8)。或者，当由上方观察时，突起4也可以设置成一个正方形或者随机阵列。
可以将蜡层或其他疏水材料层涂覆到该结构上。
该结构的形式使得表面具有超疏水性。
所有实施例中的表面微观结构均不同程度地显示出了良好的自清洁特性。

Claims (32)

1.一种表面微观结构，该表面微观结构包括：
表面；以及
位于所述表面上的多个突起，
其特征在于，每个所述突起具有基部和延伸部，该基部从所述表面的平面向外延伸，所述延伸部沿着具有一平行于该表面的平面的分量的方向延伸，并且
其中所述突起各自的长度为0.25μm～100μm，宽度为0.1μm～1.5μm。
2.根据权利要求1所述的表面微观结构，其特征在于，所述突起包括位于所述表面和所述基部之间的支撑部。
3.根据权利要求2所述的表面微观结构，其特征在于，每个所述支撑部限定中空结构。
4.根据权利要求3所述的表面微观结构，其特征在于，所述支撑部包括多个支柱，这些支柱沿远离表面方向或相对于表面向外延伸并互相连接，以限定所述中空支撑结构。
5.根据前述权利要求中任一项所述的表面微观结构，其特征在于，所述突起的宽度为100nm～300nm，长度为1μm～2μm。
6.根据前述权利要求中任一项所述的表面微观结构，其特征在于，所述各突起的长宽比为1:0.08～1:0.2。
7.根据前述权利要求中任一项所述的表面微观结构，其特征在于，所述延伸部沿与所述表面的所述平面基本平行的方向延伸。
8.根据前述权利要求中任一项所述的表面微观结构，其特征在于，所述基部沿与所述表面的所述平面基本垂直的方向延伸。
9.根据前述权利要求中任一项所述的表面微观结构，其特征在于，所述延伸部与所述基部邻接。
10.根据前述权利要求中任一项所述的表面微观结构，其特征在于，所述各突起的尺寸基本相同。
11.根据前述权利要求中任一项所述的表面微观结构，其特征在于，所述突起的所述延伸部均沿同一方向延伸。
12.根据前述权利要求中任一项所述的表面微观结构，其特征在于，所有所述突起均基本相同。
13.根据前述权利要求中任一项所述的表面微观结构，其特征在于，所述各突起的高度小于5μm，优选为小于2μm。
14.根据前述权利要求中任一项所述的表面微观结构，其特征在于，所述多个突起排列为多行。
15.根据前述权利要求中任一项所述的表面微观结构，其特征在于，所述延伸部的下表面与所述表面之间具有间隙。
16.根据权利要求1至14中任一项所述的表面微观结构，其特征在于，所述延伸部与所述表面接触。
17.根据前述权利要求中任一项所述的表面微观结构，其特征在于，所述突起由基本刚性的材料制成。
18.根据前述权利要求中任一项所述的表面微观结构，其特征在于，所述突起包括疏水材料。
19.根据前述权利要求中任一项所述的表面微观结构，其特征在于，所述突起与所述表面为一整体。
20.根据前述权利要求中任一项所述的表面微观结构，其特征在于，所述表面为一基本平坦的连续平面。
21.根据权利要求1至19中任一项所述的表面微观结构，其特征在于，所述表面为纤维表面。
22.根据权利要求21所述的表面微观结构，其特征在于，所述各突起的所述延伸部平行于纤维的长度。
23.一种制品，该制品包含根据权利要求1至22中任一项所述的表面微观结构。
24.根据权利要求23所述的制品，其特征在于，所述制品为鞋类物品。
25.一种制作表面微观结构的方法，所述方法包括：
提供表面；
在所述表面上提供多个突起，
其特征在于，每个所述突起具有基部和延伸部，该基部从所述表面的平面向外延伸，所述延伸部沿着具有一平行于所述表面的平面的分量的方向延伸，并且
其中所述突起各自的长度为0.25μm～100μm，宽度为0.1μm～1.5μm。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述突起由表面冲压制成。
27.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，通过将材料沉积到所述表面上提供所述突起。
28.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，通过自组装技术提供所述突起。
29.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，通过成型法提供所述突起。
30.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，通过从所述表面移除材料提供所述突起。
31.根据权利要求25至30中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法为制造用于制作鞋类或服装的材料的工艺的一部分。
32.根据权利要求25至30中任一项所述的方法，其特征在于，所述表面微观结构为根据权利要求1至22中任一项所述的表面微观结构。
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