CN108699764B - 具有微结构化表面的织物和包括该织物的服装 - Google Patents

Abstract

本发明涉及织物制品和衣服，例如户外服装、室内服装以及暴露于水和油的接触混合物的商业防护穿戴物、暴露于水和空气的混合物的泳装和冬季穿戴物。这些织物制品中的至少部分具有提供有以下至少一者的表面：1)高表面积，2)分级图案，3)接触角，使得接触混合物的亲水部分具有高接触角并且接触混合物的疏水部分具有低接触角，以及4)大于5度的滞后角。本发明的疏水/亲水性接触混合物可以是水和/或冰与油和/或空气结合存在的表面。本发明的织物制品在具有疏水/亲水性接触混合物的表面上防滑。

Description

具有微结构化表面的织物和包括该织物的服装

相关申请

本申请要求于2015年10月5日提交的美国临时申请no. 62/237,460的利益，其内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开提供了织物制品和衣服，例如户外服装、室内服装、医用防护穿戴物、暴露于水和油的接触混合物的商业防护穿戴物、暴露于水和空气的混合物的泳装和冬季穿戴物。这些织物制品中的至少一部分具有微结构化表面，所述表面提供有以下至少一者：1)高表面积，2)分级图案，3)接触角，使得接触混合物的亲水部分具有高接触角并且接触混合物的疏水部分具有低接触角，以及4)大于5度的滞后角。

背景

虽然本部分主要致力于已确立的观察和理论，但本部分中包含的一些材料在解释或认识到的应用方面可能是新的，尽管基础理论是已知的。因此，我们不认为在本部分中公开的构思构成现有技术，并且现有技术的变体状态之间产生的一些联系可以构成发明。

Cassie-Baxter模型描述了气体环境中固体纹理化表面与水的相互作用。在这个模型中，空气被捕集在纹理化表面的微槽中，水滴停留在包括空气和微凸起顶部的复合表面上。在多重纹理尺度(scale)之间的分形维数(fractal dimension)的重要性得到了充分的认识，并且许多方法都基于分形贡献，即不同尺度纹理之间的维数关系。然而，无论使用的材料(有机或无机)和表面纹理的几何结构(颗粒、棒阵列或孔)如何，都需要多重纹理尺度结合低表面能来获得所谓的超疏水性表面。

超疏水性被多处地报道为材料表现出与水的接触角大于平滑但强疏水性材料可获得的接触角。疏水性表面排斥水。例如，可以通过确定表面上的水滴的接触角来测量表面的疏水性。接触角可以在静态或动态下测量。动态接触角测量可以包括确定相对于诸如水滴的附着物质的前进接触角或后退接触角。在前进和后退接触角之间具有小差异(即，低接触角滞后)的疏水性表面导致对平面内平移具有低抗性的表面(低附着性)。水穿过具有低接触角滞后的表面可以比穿过具有高接触角滞后的表面更容易，因此接触角滞后的大小可以等同于移动物质所需的能量的量。

对于表面纹理研究的来自自然的经典动机是荷叶，由于具有凸起细胞乳头和随机取向的疏水蜡小管的分级结构，荷叶具有超疏水性，其具有与水的高接触角和低接触角滞后，并显示强的自清洁性质。

较少了解的来自自然的动机是红玫瑰花瓣，具有被周向设置和轴向定向的脊装饰的凸起细胞乳头的分级结构，其具有中等的接触角和高的角度接触差异。接触角是直接与纹理化表面接触的水量的量度，而接触角滞后是水可在表面上流动的程度的量度。

这些状态中每一种的进化动机都非常明显。在荷叶和通常的植物叶片的情况下，与水的接触最少和水的高流动性导致水优先附着于颗粒污染物，污染物随着水的流失从叶片清除。这有助于减少表面污染物对光的吸收量，并提高光合效率。在玫瑰花瓣和通常的植物花瓣的情况下，大多数传粉者被吸引到高张力水源，高张力水源容易获取而不淹没昆虫。因此，在进化刺激是植物繁殖的情况下，高接触角与高接触角滞后配对是优选的，并且在进化刺激是代谢和生长的情况下，高接触角与低接触角滞后配对是优选的。

暂时考虑单一的纹理尺度，当水被放置在纹理化表面上时，它可以处于纹理的峰上或者吸入谷中。前者称为Cassie状态，后者称为Wenzel状态。当Wenzel状态占优势时，接触角和接触角滞后都随表面粗糙度增加而增加。然而，当粗糙度系数超过临界水平时，接触角继续增加，而滞后开始下降。此时，由于在表面和水滴之间的界面处疏水组分(在这种情况下为空气)的量增加，主要润湿行为改变。

当采用多重纹理尺度时，有些可以是Wenzel，其他为Cassie。在这两个状态中，Wenzel状态具有较低的接触角，较高的接触角滞后和较低的流动性。在混合的Wenzel-Cassie状态下，可能具有高接触角和高接触角滞后。然而，纹理化固体相对于相互作用的疏水性和亲水性组分的疏水性是非常重要的。

水具有偶极结构，使其对任何其他带电荷的物质具有吸引力。具有定位于分子上特定位置的电荷过剩的分子使得该分子具有亲水性。在聚合物的情况下，电荷可以缔合，并且大量物质具有宏观电荷。而且在这样的宏观组合中，这样的材料强烈吸引水。而且当那些宏观电荷位置与表面纹理相关时，则物质变得超亲水。

术语超亲水性在文献中具有各种含义，并且在许多情况下简单地指的是使物质更亲水或者相对于同一物质的平坦表面的接触角减小。在这里，这意味着表面电荷和表面能的增强，使得水总是与基材表面结合，即使任何特定的水分子在聚合物表面上可能具有短的停留时间。这具有商业优势，因为本发明织物的附着表面既防护免受污染碎片，又由于水分子与表面的随机附着/分离而自清洗。

在植物界，大多数纹理化的表面都出现在疏水性基材上。但是，当疏水性流体代替水时，Cassie状态可以很容易地转换为Wenzel状态。情况并非总是如此，并且取决于疏水性材料的蒸气压和粘度，以及被捕集在表面纹理中的空气多快能够被消散。

已经进行了各种尝试以获得疏水性涂层和表面，如下所述：美国专利号6,994,045描述了用作很低粘度的气体润滑剂的基材的超疏水性涂层具有表面的分级分形结构，其中第一分级水平的形式位于涂层的基材，并且每个连续分级水平的形式位于前一分级水平的表面上，且各较高分级水平的形式重复较低分级水平的形式。美国专利号7,419,615公开了通过将疏水性材料与可溶性颗粒混合形成混合物而形成超疏水性材料的方法。美国专利号7,887,736公开了使用模板重复印刷的超疏水性表面，从而可以经济地实现在大面积上大规模生产超疏水性聚合物。美国公开号20030147932公开了具有防污性质的自清洁或荷花效应表面。美国公开号20060029808公开了涂层，其可以在浸入水中一周后保持超疏水性。美国公开号20080015298公开了超疏水性涂料组合物。美国公开号20080241512公开了在给定表面上的不同位置沉积材料层以提供超亲水性表面性质或超疏水性表面性质或这些性质的组合的方法。美国公开号20090011222公开了应用荷花效应材料作为用于各种系统应用的超疏水性保护涂层的方法，以及制造/制备荷花效应涂层的方法。美国公开号20090076430公开了绷带，其包括可透气的材料，该材料具有第一表面和多个附着于第一表面的超疏水性颗粒。该材料可以具有与亲水性的第一表面相对的第二表面。美国公开号20090227164公开了非织造材料的超疏水性涂层涂覆有在纹理和纳米范围内的海绵网状结构。美国公开号20100112286公开了在人工结构化的超疏水性表面上控制和切换液滴状态。美国公开号20100021692公开了提供制造多尺度(分级)超疏水性表面的方法。该方法包括以三种大小尺度，以类分形或伪类分形的方式对聚合物表面进行纹理化，最低尺度是纳米尺度，最高尺度是微米尺度。美国公开号20100028604公开了超疏水性结构包括基材和布置在基材的至少一个表面上的分级表面结构，其中分级表面结构包括微结构，微结构包括在基材的至少一个表面上以间隔几何图案布置的多个微凸凹。美国公开号20110077172公开了局部沉积材料的方法，并且包括包含凸起表面结构的超疏水性基材。

鉴于上述情况，需要附着性织物材料，其包含当暴露于具有疏水/亲水性混合物的表面时产生Cassie和Wenzel状态的纹理。这种织物材料特别适用于服装，特别是医疗环境中使用的那些，例如手术手套。

概述

本发明涉及织物制品或衣服，例如接触冰或油和水的混合物的服装，包括医用穿戴物，特别是手术或防护手套。暴露于潮湿皮肤和肥皂溶液的室内织品，例如衬在浴缸内的防滑表面，或与潮湿皮肤接触的浴室地表面。户外织品或表面，如与油-水混合物接触的工业手套，与冰或混有润滑剂如电动机润滑油的水接触的鞋。本发明的附着性织物是不滑的表面，并且特征可在于，与相同尺寸的光滑表面相比，具有高表面积。

相互作用的尺度由本发明的附着性织物的表面纹理来定义，并且通常是分级的，并且以至少两个空间尺度为特征，一个为微米级(微米)，另一个为百微米级。表面纹理可以引起前进和后退接触角之间具有大的差异(接触角滞后)的一个状态，或者具有小的接触角滞后的另一个状态。关注的状态分别称为Wenzel状态和Cassie状态。每个分级空间尺度可以分别诱导Wenzel或Cassie状态，使得可以在多个空间尺度上进行组合。

这些状态是驻留在纹理化表面界面处的混合物的疏水和亲水组分之间的现象。在Cassie状态下，附着的织物能够抵抗疏水性碎片附着，例如油水混合物中的油。在Wenzel状态下，植入物可逆地附着到亲水表面，例如湿或冰表面。在混合的Cassie-Wenzel状态，其中一个纹理尺度是Wenzel，另一个是Cassie，附着性织物既可以定位到湿的表面，也可以抵抗疏水性污染物，如油。Cassie-Baxter模型描述了气体环境中固体纹理化表面与水的相互作用。在这个模型中，空气被捕集在纹理化表面的微槽中，水滴停留在包括空气和微凸起顶部的复合表面上。

在多重纹理尺度(scale)之间的分形维数(fractal dimension)的重要性得到了充分的认识，并且许多方法都基于分形贡献，即不同尺度纹理之间的维数关系。然而，无论使用的材料(有机或无机)和表面纹理的几何结构(颗粒、棒阵列或孔)如何，都需要多重纹理尺度结合低表面能来获得所谓的超疏水性表面。

超疏水性被多处地报道为材料表现出与水的接触角大于平滑但强疏水性材料可获得的接触角。超疏水性物质最小接触角的一般共识是150度，所以在这个背景下，本发明的大部分实施方案并不严格地是超疏水性的，尽管不排除该选项。其原因在于Wenzel-Cassie状态在于其非纹理化表面与产生Cassie-Baxter界面的表面之间的疏水性。在优化本发明的织物的附着性方面，超疏水性只是许多关注的纹理控制机制的一个方面，在这种背景下，接触角不如接触角滞后重要。

通过将多重结构叠加，一个结构叠加在另一个结构之上，从而实现高表面积。当这些多重结构的尺寸足够不同时，这些结构的叠加被称为分级结构或图案。可用于本发明的表面的亚组特征为超疏水性的。超疏水性表面是水滴与之产生的接触角大于120度的任何表面。疏水/亲水性接触混合物是液体/固体混合物或液体/气体混合物，其中固体、液体或气体的第一组分比固体、液体或气体的第二组分更亲水。

本发明人已经令人惊讶地发现，本发明的微结构化表面与包括疏水/亲水性接触混合物的表面附着性地相互作用。这些表面与多种光滑、粘滑或其他滑表面形成了不滑的接触。

特别是，本发明涉及织物，其表面的至少部分涂覆有具有超疏水性质的薄的、附着性良好的、多孔的或无孔的涂层。在光滑和平坦表面上测得的静态水接触角值高于约120°，优选高于130°，更优选高于150°。

例如，用这种方法处理的织物的疏水性显著提高。它们可以例如提供防水性、预防污垢/灰尘附着、减少表面上的积聚或不损害水蒸气/空气渗透性方面的改进。此外，本发明的表面不同于许多超疏水性表面之处在于，它们建立了包括疏水/亲水性接触混合物的Wenzel-Cassie界面。当接触混合物的疏水性组分被吸引到该表面时，接触混合物的亲水性组分被排斥。结果是，在剪切应力下，由于前缘和后缘的接触角的差异，接触的两个表面抵抗相对运动。这种前后接触角的差异代表了在滑动发生之前必须克服的能量差异。

本发明关注的织物基材可以包括以下形式的广泛的材料：幅材、带、膜、皮革或毛皮等动物皮肤、织造和非织造层；它们可以是多孔的或无孔的，刚性或柔性的，由聚合物、天然或合成纤维、皮革、可生物降解材料或用于制造外部用途的织物或包含织物的产品的任何常规材料制成。在一个实施方案中，医疗或手术手套有利地包括本文描述的微结构化表面纹理。

当选择有机合成树脂时，这种基底材料可以由聚乙烯、聚丙烯酸类、聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚苯乙烯、聚氨酯、聚氟烃、聚酯、硅橡胶、烃橡胶、聚碳酸酯和其它合成聚合物制造。特别优选的聚合物基材是例如用于制造非织造织物基材的聚乙烯或聚丙烯。将能够用本发明的分级图案压印的溶剂流延、聚合或熔融流延聚合物的薄层附着到这些织物。

或者，可以使用更常规的薄膜涂覆方法，随后进行高能表面固化。在该方法中，用于在织物基材上生产耐久且薄的防水涂层的高速真空涂覆方法是可以在形成期间用分级图案压印。

图案转移过程可以包括可移动载体，如真空室中的旋转鼓。载体的表面保持在足以允许沉积在室中的蒸发材料冷凝的温度。该材料是具有相对低分子量的可固化单体。单体蒸气使用闪蒸蒸发器产生。将所需量的可固化单体计量加入加热的闪蒸蒸发器系统中，在此蒸发材料。然后将其例如通过其固有的压力输送到停留在旋转鼓上的织物基材并冷凝在织物基材表面上。同时，将鼓压印在具有分级图案的相邻鼓上。根据该方法，然后将织物基材输送到固化装置，例如发射电子束的能量源、UV光辐射或暴露于电磁场。或者，可固化单体也可以通过穿过等离子体而转变为自由基。在分级图案转移之前、期间或之后通过固化装置对单体进行固化则提供了具有大于120°的静态水接触角的织物基材表面上的涂层。分级图案在分级图案和疏水/亲水性接触混合物之间形成了Wenzel-Cassie界面。

附图说明

图1描绘了可用于附着性织物的微结构化表面的实施方案。

图2是可用于附着性织物的表面的实施方案的图像。

图3是具有反转图案的微结构化表面的实施方案的图像。

图4A-4D描绘了具有各种正弦波形图案的基材410的选择，所述正弦波形图案提供跨越基材410的可选的弯曲表面纹理特征。

图58

图5描绘了根据本公开的基材上的微结构化表面的实施方案的侧视图，其具有布置在基材的表面上的第二组特征。

图6描绘了根据本公开的薄膜基材上的微结构化表面的另一个实施方案的侧视图。

图7描绘了具有第四组微特征的微结构化表面的透视图。

图8描绘了具有第四组微特征的微结构化表面的示意性顶视图。

图9描绘了具有本发明的微纹理化疏水/亲水性表面的服装，特别是手套。

发明详述

为了促进对本发明原理的理解，现在将参考附图中示出的实施方案并且将使用特定的语言来描述这些实施方案。然而应该理解的是，不打算由此限制本发明的范围，所示出的器械中的这种变更和进一步修改以及如其中所示的本发明原理的这种进一步应用被认为是对于本发明涉及的领域中的技术人员而言通常会想到的。将描述和示出本发明的至少一个实施方案，并且本申请可以示出和/或描述本发明的其他实施方案。应理解的是，除非另有说明，对“本发明”的任何提及是对一类发明的实施方案的提及，没有单个实施方案包括必须包括在所有实施方案中的设备、方法或组合物。

本发明涉及表面包括纹理的织物，所述纹理当暴露于包含疏水性组分的含水环境时，最初形成Cassie和Wenzel状态。疏水性组分可以是液体如油，或气体如环境空气。这些状态由于包含疏水/亲水性混合物的界面而发展。我们已经发现液体疏水/液体亲水性混合物产生与在水/空气混合物上发展的典型Wenzel-Cassie状态相似的界面。在改良的Wenzel-Cassie状态下，类似于经典气相的捕集相是液体疏水相。

参考图1，本发明的附着性织物100的表面通常具有包括大尺度结构的分级表面106，具有多个凸起和凹陷布置在基材108的至少一个表面上的几何图案中，并且设置在大尺度水平结构108的至少一个表面上的中等尺度结构110包含凸起112。小尺度结构114类似地包括设置在中等尺度结构110上的凸起116和凹陷118。大尺度的凸起108应该足够高，使得疏水/亲水性接触混合物的亲水组分不会接触相邻凸起108之间的大尺度凹陷。在图1的实施方案中，大尺度凸起108可包括约25至约1000微米的高度H和约25至约2000微米的直径D，其中由凸起104覆盖的基材108的表面积分数可以为约0.1到约1.0。中等尺度的凸起110可包括5至约25微米的高度120以及5至约50微米的直径122，其中由凸起110覆盖的基材108的表面积分数可以为约0.1至约0.9。小尺度结构112可以主要布置在中等尺度结构110上。

分级结构的设置可以是几何的，并且通常可以用数学方程来描述。或者，分级结构可以随机布置，可能具有变化的间距(pitch)，这对于天然结构是更典型的。分级结构的设置通常可以用分形维数来描述。分形维数是统计量，它表明当在多个空间尺度上考察结构时，结构的集合显示多么完全地填充空间(在本发明情况下为平面)。指定具有统计性质的分形维数并不一定表示分级结构由数学方程良好定义。通常，特定尺度内的结构的随机设置比其中结构在表面上的所有点处以数学方式描述的设置具有更高的分形维数。因此，随机结构在本发明的附着性表面与天然表面相互作用时具有更大的功效方面可能具有优势。在特定空间尺度内的较高分形维数可以通过将多间距设置应用于基材来实现。凸起和凹陷可以相对于局部间距局部地缩放。因此，间距可以在尺度结构内变化。在较高分形维数结构的实际实现中，间距的变化可以通过数学方程来描述，例如间距的正弦变化，其具有模拟自然表面的功效。

通常，结构可以被描述为尖锐边缘的或圆形的，并且该特征通常不是通过分形维数获取。上述描述性参数未涉及的另一个结构方面是结构之间的连通程度。连通意味着诸如凸起或凹陷的结构具有比间距更大的空间范围。例如，围绕凸起的谷可以连接到围绕另一个凸起的另一个谷，因此凹陷被称为是连通的，而凸起不是。连通的范围可以从1到约1000，更具体地说，连通可以在基材的整个表面上延伸。

这些结构的构建目的是当本发明的附着性织物与疏水/亲水性接触混合物接触时，在多个尺度上产生Wenzel和Cassie状态。本领域已知，通过在表面平面中使用尖锐角特征可以阻止向Wenzel状态的转变。然而，在自然结构如玫瑰花瓣中出现尖锐角结构较不常见。自然结构倾向于具有圆形表面特征，尤其是辐射式或内圆角。在自然界中，对转换为Wenzel状态的抗性似乎涉及产生内卷的圆形结构而不是尖锐边缘。内卷的是指以与基材表面非正交的线定向的凹度。这种结构难以通过蚀刻或铸造方法产生，但可以通过带来结构折叠的压印方法容易地产生。类似地，Wenzel状态可以通过使用结构之间的弯曲连通而不是直线连通而阻止。在大多数情况下，较高的疏水性等同于较低的Wenzel转变倾向。

通过在凹陷周围放置外角，表面的疏水性得到增强。在一些实施方案中，这是通过产生附加的相邻凹陷壁对而实现的，所述凹陷壁伸入凹陷的内部并且在此连接。在一些实施方案中，这是通过设计第一分级的凹陷的有序阵列来实现的(例如：三角形、矩形、五边形或六边形，规则或不规则；以及通常由直线段限定的其他多边形形状)。较小尺寸和不同分级顺序的第二特征然后叠加在第一图案的凹陷壁上。用于制造这种结构的方法可包含首先压印大尺度结构，然后二次压印另外的较小尺度结构，优选较小尺度结构压印在较大尺度结构上。

本发明的非织造附着性织物的制造方法包括光刻、铸造、挤出/压印以及将纹理转移到表面的几种方法中的任何一种。优选的方法是压印，其中聚合物质被加热到熔融状态并通过双辊，其中至少一个辊含有所需压印结构的负像。小尺度纹理压印在平面片上。这种压印平面片被加热到可延展但不流动的状态，并通过具有中等尺度纹理的双辊，其印上反转图像。这个过程可以重复多次。中等尺度纹理相对于小尺度纹理而言较大，因此中等尺度纹理的印痕交叠小尺度纹理，使得可能形成通常用光刻或铸造方法通常不可能形成的内卷结构。在美国申请No. 14/802,632中描述了用于形成这种分级微结构化表面的方法，该申请的全部内容通过引用结合于此。

本发明的附着性织物具有三个或更多个纹理水平，以产生高表面积的方式组装，同时保持纹理之间的最小间距，以允许液体流动和穿透以首先促进表面清洗和其次促进表面附着；并同时保持最小结构强度，所述最小结构强度通过保持所有特征的高宽纵横比低于临界水平(临界水平超过材料强度)而获得。

参考图2，示出了根据本发明的织物表面上的纹理设置的第一实施方案，其包括总体上指示为210的基材。在所示实施方案中，基材210具有包括一系列圆形峰和谷的正弦波形，所述圆形峰和谷在基材210的至少一部分上产生连续弯曲表面。基材10的正弦波形限定了总体上指示为212的第一组大尺度特征。在图2中，基材210被构造和设置为集中在一系列圆形的球形突出物上，形成从表面向上凸出的峰215，相关的谷217布置在峰215之间。

在图3所示的第二实施方案中，示出了相反的设置，其中基材310被构造和设置为集中在一系列圆形空腔上，形成向内延伸到基材10内的谷317作为主要特征，相关的峰315布置在谷317之间。在两个实施方案中，基材310的表面在整个正弦波形图案区域中连续弯曲。

根据本发明，这里使用的术语正弦波形指的是具有通过结合三角函数正弦、余弦、正切或指数和幂级数函数的数学公式描述的圆形非平坦曲率的重复振荡的表面。这些数学公式被用于计算机辅助设计和计算机辅助制造软件中以利用快速原型制造、铣削、放电加工或类似技术产生纹理表面，从而产生具有正弦波形纹理特征的聚合物或金属表面。使用数学公式的好处是可以在计算机辅助设计和计算机辅助制造软件中快速产生大量的圆形非平坦特征。这种类型的纹理特征不能使用光刻技术来产生。

参考图4A-4D，示出了具有各种正弦波形图案的基材410的选择，所述图案跨越基材410提供可选的弯曲表面纹理特征。这些实施方案仅作为基材410的示例实施方案用于举例说明目的，并不限制本发明和本文使用的术语正弦波形。

根据本发明，第一组纹理特征412包括选自约100微米到约1000微米范围内的大小的尺寸。更具体地，如下文将详细描述的，在优选实施方案中，正弦波形被设置为使得第一组纹理特征12具有750微米的正弦圆形空腔，750微米的间距以及约240至500微米的深度。基材的这种设置旨在促进疏水/亲水性接触混合物的附着性Wenzel-Cassie状态。

参考图58，第二组纹理特征5141被布置在基材510的表面上。在一个实施方案中，第二组纹理特征514模制在基材510的第一组纹理特征512上。如在下文中详细描述的，在优选实施方案中，基材510是压缩模制的聚合物材料，其中在单个模制步骤期间在基材510上形成第一和第二组纹理特征512, 514。第一和第二组纹理特征512, 514协作以增加表面积并影响基材510的附着性、摩擦力、亲水性和疏水性中的至少一种。

优选地，形成基材510的压缩模制聚合物材料是环境耐久的聚合物。在一个实施方案中，基材510包括聚乙烯尼龙共聚物。在所示实施方案中，第二组纹理特征514选自微结构化凸起和微结构化空腔及其组合。在图3所示的实施方案中，第二组纹理特征314包括向下延伸到基材310中的微结构化空腔。

另外在图5-8中，第二组纹理特征514, 614, 714和814分别包括从基材510, 610,710和810向上延伸的微结构化凸起。优选地，在图5-8所示的实施方案中，所述第二组纹理特征514, 614, 714和814的微结构化凸起包括大致圆柱形柱。

优选地，在图3所示的实施方案中，第二组纹理特征314的微结构化空腔包括大致圆柱形的凹陷。参考图5，在其中基材510是薄膜基材并具有可操作的相对顶表面和底表面的一个实施方案中，布置在基材510的顶表面521上的第一组纹理特征512在基材510的底表面523上形成互补形状，使得顶表面521上的圆形峰在底表面523上形成圆形谷并且顶表面521上的圆形谷在底表面523上形成圆形峰。

再次参考图5，在其中基材510是薄膜基材并具有可操作的相对顶表面和底表面的实施方案中，第二组纹理特征514包括在基材510的顶表面521和底表面523之一上的一系列微结构化凸起，则所述微结构化凸起在所述顶表面和所述底表面521,523中的另一个上限定了一系列互补的微结构化空腔。类似地，在其中第二组纹理特征514包括从顶表面521向下凸出穿过基材510的微结构化空腔的实施方案中，它们在相对的底部上形成互补的微结构化凸起。

参考图2和5，在所示实施方案中，第二组纹理特征214, 514包括在单独的微结构的给定点沿着与基材210和510正弦波形的曲线成法向的轴延伸的纹理特征的至少一部分。以这种方式，第二组纹理特征214, 514遵循第一组纹理特征212, 512的曲率。

根据本发明，第二组纹理特征514包括选自约10微米到约100微米范围内的大小的尺寸。此外，第二组纹理特征514优选具有小于5的高宽纵横比，以及所述第二组纹理特征的每个纹理特征之间1微米的最小间距，以保持结构强度，同时允许包括第二组纹理特征214的单独微结构之间的液体流动和穿透。

再次参考图5-8，第三组纹理特征520, 620, 720, 820也可分别布置在基材510,610, 710, 810上。优选地，第三组纹理特征520, 620, 720, 820选自微结构化凸起和微结构化空腔及其组合。在一个实施方案中，第三组纹理特征的微结构化凸起包括大致圆柱形柱。

再次参考图3，在一个实施方案中，第三组纹理特征320的微结构化空腔包括大致圆柱形的凹陷。优选地，第三组纹理特征320与第一和第二组纹理特征312, 314同时压缩模制。在另一个优选实施方案中，第三组纹理特征320具有小于5的高宽纵横比以及第三组纹理特征320的每个纹理特征之间1微米的最小间距，以保持结构强度，同时允许所述第三组纹理特征之间的液体流动和穿透。当器械由较低强度材料制成时，纵横比较小，而当器械由较强材料制成时，纵横比较大。特征之间的间距对于粘度较低的液体较小，对于粘度较大的液体则较大。

参考图2和5，在所示实施方案中，第三组纹理特征220和520分别包括沿与基材210和510的正弦波形的曲线成法向的轴延伸的纹理特征的至少一部分。为了其中第二和第三组纹理特征214, 514, 220, 520沿与正弦波形曲线成法向的轴延伸的本发明的目的，曲线的法线是在特定点垂直于曲线切向的线。在所示实施方案中，第二组纹理特征214, 514小于第一组纹理特征212, 512，并且第三组纹理特征220, 520小于第二组纹理特征214,514。

根据本发明，第三组纹理特征220包括选自约1微米到约10范围内的大小的尺寸。参考图5-8，在一个实施方案中，第三组纹理特征被布置在第二组纹理特征14的端表面522,622, 722, 822上。

在另一个有利的实施方案中，第三组纹理特征520, 620, 720, 820被布置在第二组纹理特征514, 614, 714, 814之间的第一组纹理特征512, 612, 712, 812上。在另一个有利的实施方案中，第三组纹理特征520, 620, 720, 820布置在第二组纹理特征514,614, 714, 814的端表面522, 622, 722, 822上，以及布置在第二组纹理特征之间的第一组纹理特征512, 612, 712, 812上。

参考图7，第四组纹理特征724可以布置在第二组纹理特征714的侧表面上。第四组纹理特征724选自凹槽716和肋718以及它们的组合。在所示实施方案中，凹槽716和肋718沿着包括所述第二组纹理特征714的每个微结构的外周上的侧表面的高度垂直延伸。第四组纹理特征724优选地包括选自约1微米至约10微米范围内大小的尺寸。优选地，第四组纹理特征724与所述第一、第二和第三组纹理特征同时压缩模制到基材710中。

优选地，具有大于1微米的特征和间距的凹槽716和/或肋718被添加到限定第二组纹理特征714的圆柱形柱或空腔的外部，从而增加了表面积并增加了对于弯曲和断裂的结构抗性。第四组特征724的单独微结构之间的间距对于粘度较低的液体较小，对于粘度较大的液体则较大。第三组纹理特征720以基本均匀的方式覆盖柱的顶部和空腔的底部以及限定第二组纹理特征714的柱或空腔之间的区域。第二和第三组纹理特征714, 720一起显著增加了暴露于覆盖基材710相反表面的液体的表面积。

取决于期望的应用，第一组、第二组、第三组和第四组纹理特征协作以增加基材710的表面积以实现基材710的附着性、摩擦力、亲水性和疏水性中的至少一种。在一个实施方案中，基材在针对包括疏水/亲水性混合物的表面应用时具有滑动摩擦力大于50 gr/cm2的表面附着。

在优选的实施方案中，基材在针对包括疏水/亲水性混合物的表面应用时具有滑动摩擦力约325 gr/cm2的表面附着。在早期的研究中，发明人表征了玫瑰花瓣结构并观察到微结构中的“漫岗”作用。此外，较小的微结构被称为“毛发”，这似乎对超疏水性效果有强烈的贡献。为了最好地模拟该方案，本发明人制造了如本文所述的正弦设计，其可以从具有300微米直径和100微米间距的特征的正弦波形基材开始，再现和改善自然看到的圆形微结构效果。第三组纹理特征的尺寸在一个实施方案中包括具有3微米直径，6微米间距和5微米高的柱。在一个实施方案中，第二组纹理特征包括具有至少35微米直径，35微米高和10微米间距的带凹槽的微结构柱。当重叠在一起时，第二和第三组微特征沿与正弦波形特征的表面成法向的轴形成(参见，例如图5和6)。这些也多维地保持在圆形上。

为了改善自然中发现的玫瑰花瓣的超疏水性效果，第二组纹理特征例如714增加了沿着侧表面延伸的“凹槽”或“肋状”特征。限定了第四组纹理特征724的这些凹槽和肋状特征模拟玫瑰花瓣的较小的毛发样微结构，以进一步促进疏水性。因此，所述第一组、第二组、第三组和第四组纹理特征712, 714, 720和724中的每一个微结构具有相应的间距、高度/深度和直径，并且其中设置成使得当用于液体覆盖表面时，液体在处于Wenzel完全润湿状态的至少所述第一组纹理特征和第二组纹理特征之间穿透，以促进基材710和相邻表面之间的附着。

优选地，第一组纹理特征712的正弦波形包括圆形峰，其有利于当压向液体覆盖表面时跨越基材710的压力分布。优选地，第二和第三组纹理特征714, 720跨越第一组纹理特征712的圆形峰均匀地分布，以向第一组纹理特征712提供增加的表面积。当基材710用于液体覆盖的表面时，圆形峰限定了增加压力的区域，在至少所述第一组纹理特征和第二组纹理特征之间，其促进了液滴从悬浮的Cassie-Baxter状态到Wenzel完全润湿状态的转变。在优选实施方案中，第一组、第二组和第三组纹理特征712, 714, 720允许液体穿透到Wenzel完全润湿状态，而第四组纹理特征724被构建和设置以保持超疏水性特性。第二组和第三组纹理特征714, 720的功能是产生大的表面积，同时间距足够宽，使得粘性液体可以在低压下流过该结构。在与液滴相关的重量足以产生Wenzel完全润湿状态以促进基材710与相邻的液体覆盖表面的附着的背景下定义该应用中的低压。因此，本发明的微结构化表面被设计为便于从Cassie-Baxter悬浮液滴状态转变为Wenzel完全润湿状态，且具有大于10纹理升大小的水滴。

第一组纹理特征12的正弦波形的一个功能是进一步增加表面积，同时在特征的峰处产生增加压力的区域。这些表面积增大的区域首先润湿，导致从Cassie-Baxter悬浮液滴状态到Wenzel完全润湿状态的快速转变。第一组纹理特征例如612的正弦波形的第二个功能是保持峰压力足够低并且使压力散布，使得几乎没有或没有穿过表面上的液体层进入下面的材料。第二组和第三组纹理特征614均匀地分布在第一组纹理特征612的正弦波形上，并与表面曲线成法向。也就是说，它们垂直于表面上微结构的每个点的表面切向。这确保了可以模制的结构中产生最大表面积。

图9描绘了具有本发明的疏水/亲水性表面的手套，例如手术手套。手术手套901包括弹性材料903，弹性材料903包括纹理化岛状物905。纹理化岛状物905的详细结构在图1-8中给出。纹理化岛状物705被放置在对抓握和操作手术器械和光滑组织必须的位置707处。岛状物结构的几何形状可以选择为与正常的弯曲动作和典型的接触点一致。例如，在指尖区域，这些岛状物是圆形的909。在手指弯曲区域，岛状物是线性的911并且与手指弯曲线915平行布置的913。在不存在关节的手掌区域中，可以选择基本上覆盖手掌的整个表面的较大的岛状物917。岛状物5可以在手套的两侧919上，所以手套可以双手使用。岛状物5可以是突起的923或与手套的未纹理化区域921大致齐平。

本文引用的所有参考文献全文以引用的方式并入本文中。

Claims (11)

1.织物制品，其包含微结构化表面，所述微结构化表面具有至少三组以分级图案设置的微结构，其中所述微结构化表面能够形成对包含疏水/亲水性混合物的表面的附着，其中当剪切应力超过法向压力时发生附着，并且其中所述微结构化表面包含大于5度的滞后角，以及所述分级图案在所述分级图案和所述疏水/亲水性接触混合物之间形成Wenzel-Cassie型界面，其中所述分级图案包括尺寸在0.5至5微米的第一结构，尺寸在5至25微米的第二结构，尺寸在25至1000微米的第三结构，其中所述第一结构叠加在第二结构上，并且第一和第二结构的组合叠加在第三结构上。

2.根据权利要求1所述的织物制品，其中所述微结构化表面的至少部分的表面积为相同大小的光滑平面的面积的至少两倍。

3.根据权利要求1所述的织物制品，其中所述表面包含高于120°的静态亲水性接触角和低于120°的疏水性接触角。

4.根据权利要求1所述的织物制品，其中所述微结构化表面包含以下至少一者：1)相同大小的光滑平面的面积的至少两倍的表面积，2)分级纹理化表面，以及3)高于120°的静态亲水性接触角和低于120°的疏水性接触角。

5.根据权利要求4所述的织物制品，其中所述疏水/亲水性混合物包含油和/或空气以及水溶液和/或冰。

6.根据权利要求1所述的织物制品，其中所述第一、第二，和第三结构中的每一个的几何形状选自a)二维正弦曲线，b)圆柱形，以及c)鳍状。

7.根据权利要求4所述的织物制品，其中所述织物基材上的表面纹理与暴露于空气的含水液体形成至少一个界面，其中所述表面纹理的一部分在所述织物与所述界面之间捕集空气，并且所述表面纹理的至少一个其他部分不捕集空气，并且由此得到的界面产生至少5度的接触滞后角。

8.根据权利要求4所述的织物制品，其中织物基材上的所述表面纹理与混有油的含水液体形成至少一个界面，其中所述表面纹理的部分在所述织物与所述界面之间捕获油，并且所述表面纹理的至少一个其他部分排斥油，并且由此得到的界面产生至少5度的接触滞后角。

9.根据权利要求1所述的织物制品，其中所述微结构化表面与疏水/亲水性混合物形成界面，其中所述界面为以下至少一者：1)超疏水性的，2)Wenzel-Cassie，和3)Cassie-Baxter。

10.根据权利要求1所述的织物制品，其中所述微结构化表面包括以下至少一者：1)相同大小的光滑平面的面积的至少两倍的表面积，2)分级纹理化表面，3)高于120°的静态亲水性接触角和低于120°的疏水性接触角，以及4)大于5°的滞后角，其中所述表面形成特征在于以下至少一者的界面：1)超疏水性的，2)Wenzel-Cassie，和3)Cassie-Baxter。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的织物制品，其中所述织物制品是手套。

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