CN1878919A - 用于流体控制的微结构表面建筑物组件 - Google Patents

用于流体控制的微结构表面建筑物组件 Download PDF

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CN1878919A CNA2004800334647A CN200480033464A CN1878919A CN 1878919 A CN1878919 A CN 1878919A CN A2004800334647 A CNA2004800334647 A CN A2004800334647A CN 200480033464 A CN200480033464 A CN 200480033464A CN 1878919 A CN1878919 A CN 1878919A
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斯蒂芬妮·B·卡斯蒂里奥内
格雷戈里·A·希普
戴维·F·斯拉马
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Abstract

本发明提供一种流体控制组件，该流体控制组件包括：流体控制薄膜，所述流体控制薄膜具有第一侧和第二侧，所述第一侧包括微结构表面，所述微结构表面在第一侧上具有多个沟槽；外建筑物墙组件，该外建筑物墙组件包括具有主表面的基底层，所述基底主表面与所述流体控制薄膜结合。

Description

用于流体控制的微结构表面建筑物组件
技术领域
本申请涉及具有流体控制的建筑物组件。
背景技术
众所周知，墙壁和外部结构中的滞留水会导致真菌、霉菌以及分解木头、木制产品和很多建筑材料的微生物的生长。在此所谓的“居室综合症”中，已经显示墙壁中的滞留水会导致墙壁自身腐烂和发霉，从而引起结构和住宅适居性恶化(dwelling habitability deterioration)。这种破坏会导致昂贵的修理费，在极端的情况下可能会引起全部损失。
人们提出了很多方案来帮助解决这些问题，但是这些方案都存在显著的缺点。许多建筑方案通过用堵塞材料结合不透水层和防水层将窗户周围密封来改善防水性。新建筑物标准要求高能量效率，从而降低空气渗透。即使企图改善室内空气质量的空气交换设备也无法解决墙壁水渗漏的问题。尽管已经使用了改进的密封装置，但是人们现在已经认识到，特别是在窗户和门的周围，水的破坏一直很严重。由于大量的密封堵塞材料和常规的胶带，使得这个问题似乎更糟，这是因为一旦水穿过所述密封材料，就长期滞留在墙壁中。由于大量的密封，水无法离开内墙结构。
一直用来试图解决由于水进入而引起的破坏的可替换的方法包括防水膜，所述防水膜允许水蒸气从其通过，但是可防止水渗透。该方法已经使用了多年，但是仅限于所有壁层的湿气传输。内墙部分通常包括防止湿气传输的聚合薄膜层，并且很多外部的盖板(sheathing)和挡板(siding)也是非常差的膜。因此，增加可渗透湿气的膜层是非常有限的。此外，一旦液体侵入墙壁，它就仍保持在墙壁部分中。
另一种普通方法是在墙壁中建立大空间以在挡板层和相邻的墙壁层之间可通风。该方法提供了一种可用来排出水蒸气和液体水的方式，但是，该方法费用昂贵并且明显增加施工的劳力。此外，使用木材条或其它隔板材料往往会使间隔层之间保留显著的挡板间距。由于外部的温度和湿度变化，这些间距可能会导致不均匀的挡板部分。
另一种方法是使用压花膜和无纺织物。这些材料提供绉沟槽和压花突起，所述绉沟槽和压花突起留下开口的空间用于排泄和蒸发。然而，这些材料由于自身的性质是有限的。这些材料由于其开口性和波状性不能提供良好的密封，而且这些材料在支撑压力负载能力方面是有限的。这些材料的性质属于可透气的薄材料，于是在Z轴上膨胀以提供通道。由于该膜的厚度会产生差的弯曲强度，所以这类材料的耐压强度不够。
另一种方法是使用防水带。将这些防水带环绕窗户和门的开口处，以试图气密性地密封这些墙壁部分。这些防水带提供了应用防水层的适宜方法，但是在窗户或门与相邻的挡板之间不能提供密封的装置。此外，当水渗入该区域时，这些防水带无法提供将流体从这些开口处除去的解决方案。
人们仍继续需要一种墙壁部分，所述墙壁部分可有效地密封窗户和门部分，并且提供优良的墙面卷包能力(wall wrap capabilities)，其价格和易用性是制造商、承包商和最终客户能够承受得起的。此外，需要一种可以在建筑工地上使用的稳定的方法(robust method)，并且无需大大改变被证实了的建筑方法。像住宅、商业建筑物和必定流水的外部围栏之类的外部结构将受益于这样一种材料和建筑，所述材料和建筑提供将水密封在外的装置，同时提供将通过排泄和/或蒸发渗入墙壁部分的任何液体除去的安全方法。
发明概述
本发明提供一种流体控制组件，该组件包括：流体控制薄膜，所述流体控制薄膜具有第一侧和第二侧，所述第一侧包括微结构表面，所述微结构表面在第一侧上具有多个沟槽；外建筑物墙组件，该外建筑物墙组件包括具有主表面的基底层，所述基底主表面与所述流体控制薄膜结合。所述基底主表面可以与所述流体控制薄膜的所述第一侧或所述流体控制薄膜的所述第二侧结合。
在某些实施例中，所述基底是用于被限定的开口的框架，例如窗边框或门边框。所述基底还可以是窗底框(window sill)、墙盖板、窗户、屋顶、外包层或外隆起部。
附图的简要说明
图1a和图1b是用于示出流体在表面上相互作用的示意图。
图2a至2k是本发明的流体控制薄膜的示例性实施例的横截面剖视图。
图3a是在其上具有一些流体的本发明的带有沟槽的微结构表面的示意图。
图3b是沿图3a中线3b-3b所截取的剖视图。
图4a是屋面结构中的流体控制薄膜的实施例的剖视图。
图4b是屋面结构中的流体控制薄膜的实施例的剖视图。
图4c是屋面结构的流体控制薄膜的实施例的立面图。
图5是在绝热建筑物的外壁上具有流体控制薄膜的墙壁结构的实施例的剖视图。
图6是窗户开口组件中的流体控制薄膜的实施例的立面图。
图7是窗户开口组件周围表面上的流体控制薄膜的实施例的立面图。
图8是窗户单元组件中的流体控制薄膜的实施例的立面图。
图9a是墙壁组件的外隆起部中的流体控制薄膜的实施例的剖视图。
图9b是图9a的流体控制薄膜的一部分的放大图。
发明详述
本申请涉及流体控制薄膜。合适的流体控制薄膜包括授权给Johnston等人的美国专利No.6,531,206中所述的那些流体控制薄膜，该专利以引用的方式并入本文中。
流体控制薄膜具有微结构表面。如图1a和图1b所示，流体珠位于一个表面上，在流体珠与该表面的接触点处，流体珠表面的切线与该表面的平面之间的夹角是接触角θ。其切线垂直于表面平面的流体珠将具有90度的接触角。通常，如果接触角是90度或更低，如图1a所示，则认为固体表面被流体润湿。其上水或水溶液的液滴具有小于90度的接触角的表面通常被称为“亲水性的”。本文所用的“亲水性的”是仅用来表示材料的表面特性，即，材料能够被水溶液润湿，但是不表示材料能否吸收水溶液。因此，不管材料片是不可渗透还是可渗透水溶液，该材料都可以称为亲水性的。本申请中所用的亲水性薄膜可以由这样一种薄膜形成，该薄膜由固有亲水性的树脂材料(例如聚(乙烯醇))制成。流体在表面上产生接近零的接触角，该流体被认为完全润湿了该表面。然而，聚烯烃通常是固有疏水性的，所以聚烯烃薄膜(例如聚乙烯或聚丙烯)与水的接触角通常大于90度，如图1b所示。
本发明的流体控制薄膜可以具有各种外形。示例性的流体控制薄膜由多个沟槽以及结构组成，所述沟槽具有V形横截面或矩形横截面以及这些横截面的组合，所述结构具有沟槽和次级沟槽(即沟槽中的沟槽)。另外，该外形可以具有微结构柱和隆起部。
微结构表面上的沟槽具有沟槽末端。在某些实施例中，流体控制薄膜可以具有除去装置。除去装置通常将沟槽末端之一附近流体从沟槽中抽出。在另一个实施例中，除去装置将两个沟槽末端附近的流体从沟槽中抽出。除去装置可以包含吸收性材料，所述吸收性材料与所述沟槽相通地设置。在一个实施例中，除去装置包括流体滴收集器。
一般而言，微结构中的沟槽由大体平行的脊限定，所述脊包括具有第一高度的第一组脊和具有第二较高高度的第二组脊。所述第二组脊中的每个脊的上部的熔化温度可以比其下部的熔化温度低。所述沟槽具有图形几何形状，所述几何形状选自于由直线、曲线、径向线、平行线、非平行线、随机线和相交线组成的群组。
一个实施例包括在聚合微结构表面上形成至少一个交叉沟槽(cross-channel)以连接所述多个沟槽中的至少两个相邻的沟槽，以便流体在其间流动。
在其它可替换的实施例中，所述隆起部是脊，并且/或者沿沟槽可以是不连续的。微结构表面还可以包括在聚合微结构表面上定义其它的表面纹理特征，以增大其上用于除去流体的表面区域。在一个实施例中，聚合微结构表面具有大体平行的沟槽，所述沟槽在其第一端和第二端之间延伸。
本发明的流体控制薄膜的沟槽可以是提供理想的流体传输的任何几何形状，通常是一种容易复制的几何形状。为了沿开口的沟槽自发芯吸或传输，V沟槽流体控制薄膜的微结构表面/流体界面的理想接触角是这样：
            θ≤(90°-α/2)，
其中θ是流体与薄膜的接触角，α是次级V沟槽切口的平均夹角(例如，参见图2g)。
本发明的流体控制薄膜的沟槽可以是提供理想流体传输的任何几何形状。在一些实施例中，如图2a-2i所示，流体控制薄膜仅在一个主表面上具有主沟槽。然而，在其它的实施例中，如图2j和2k中所示，流体控制薄膜在两个主表面上都具有主沟槽。
如图2a所示，本发明的流体控制薄膜20包括聚合材料层22，所述聚合材料层在其两个主表面的一个表面上具有结构表面24。所述层22包括主体层26，结构表面24从所述主体层26上突出。主体层26起到支撑结构表面24的作用，以将各个结构特征一起保持在层22中。
如图2a所示，根据所示的实施例，沟槽30可以通过一系列v形侧壁34和峰36被限定在层22中。每个峰或隆起部可以限定沿每个沟槽延伸的连续脊，或者峰可以形成为不连续的元件(例如，销和棒等)，所述元件功能上仍用于限定其间的沟槽。在一些情况下，侧壁34和峰36可以从层22的一边无变化地一直延伸到另一边，但是，在一些应用中，可能希望侧壁34变短，从而使峰36仅沿结构表面24的一部分延伸。也就是说，限定在峰36之间的沟槽30可以从层22的一边一直延伸到另一边，或者这些沟槽30可以仅被限定成在层22的一部分上延伸。仅在一部分上延伸的沟槽30可以在层22的边缘上开始，或者这些沟槽可以在层22的结构表面24的中间开始并结束。沟槽30按预定的排布形式限定在聚合材料的连续表面上。所述排布形式可以是有序的或随机的。
设想其它沟槽结构。例如，如图2b所示，流体控制薄膜20′具有沟槽30′，所述沟槽30′在稍扁平的峰36’之间具有较宽的平谷。如同图2a实施例，可以沿一个或多个峰36′固定盖层(cap layer)(未示出)，以限定分立的沟槽30′。在这种情况下，底表面38在沟槽侧壁40之间延伸，然而在图2a实施例中，侧壁34沿线41连接在一起。
图2c示出可替换的流体控制薄膜20″，其中宽沟槽42限定在峰36″之间，但是，多个较小的峰44位于峰36″的侧壁40′之间，而不是在沟槽侧壁40之间提供平表面。因此，这些较小的峰44限定其间的次级沟槽46。峰44可能会或者可能不会上升到与峰36″相同的水平，如所示的那样，产生第一宽的沟槽42，包括分布于其中的较小的沟槽46。峰36″和44相对于它们自身或彼此不必是均匀分布的。
图2d-2k示出本发明的流体控制表面的各种可替换的实施例。虽然图2a-2k示出细长的线性结构的沟槽，但是这些沟槽可以设置成其它的结构。例如，这些沟槽沿沟槽长度可以具有不同的横截面宽度，即，这些沟槽可以沿沟槽的长度分开和/或会合。沟槽侧壁在沟槽的延伸方向或沟槽高度上也可以是有一定轮廓的，而不是直线的。通常，设想可提供至少多个分立的沟槽部分的任何沟槽结构，所述分立的沟槽部分在流体传输设备中从第一点延伸到第二点。如果需要的话，可以将沟槽构造成沿其整个长度上保持分立的状态。
参照图2g，一种几何结构是平薄膜50中的直线主沟槽48。主沟槽48包括形成很多切口54的次级沟槽52。切口54(或次级沟槽52，其中次级沟槽52是V形的，并且具有基本上平直的侧壁)的切口夹角(即角α)为约10°至120°，例如约10°至约100°，在一些实施例中为约20°至约95°。切口夹角通常是从切口到形成该切口的侧壁上的离该切口2至1000微米的点所截的正割角，例如，切口夹角是在次级沟槽侧壁的中点处所截的正割角。已经观察到，具有较窄的夹角宽度的切口通常提供更大的垂直芯吸距离。然而，如果α太窄，则流速将变得明显更低。如果α太宽，则切口或次级沟槽可能无法提供理想的芯吸作用(wicking action)。当α变窄时，为了得到类似的流体传输，流体的接触角不必与具有较高角宽度的切口或沟槽必需的接触角一样低。
通常，主沟槽最大宽度小于3000微米，例如小于1500微米。V沟槽形的的主沟槽的夹角通常为约10度至120度，例如30至110度。如果主V沟槽的夹角太窄，则主沟槽在其底部上的宽度可能不足以使该主沟槽能够容纳足够数目的次级沟槽。一般而言，主沟槽的夹角大于次级沟槽的夹角，以便在主沟槽的底部容纳两个或多个次级沟槽。通常，次级沟槽的夹角比主沟槽(例如V形主沟槽)的夹角小至少20％。
参照图2g和图1j，主沟槽(48，56)的深度(峰或顶部在最低沟槽切口上的高度)“d”基本上是均匀的。高度“d”的范围可以为约5至约3000微米，例如约25至约1500微米，在一些实施例中为约50至约1000微米，例如约50至约350微米。应该明白，在一些实施例中，可以使用这样一种薄膜，该薄膜具有其深度大于所指出的范围的沟槽(48，56)。如果沟槽过度深的话，则流体控制薄膜的总厚度将是不必要得高，并且该薄膜可能往往会比理想的薄膜更硬。主沟槽在其底部的宽度可能足以容纳两个或多个次级沟槽。
图2j和图2k示出在两个主表面上都具有主沟槽的流体控制薄膜。如图2j所示，主沟槽56可以是从一个表面到另一个表面横向偏移，或者如图2k所示，可以是彼此相对地直接对准。如图2j所示的具有偏置沟槽的流体控制薄膜在使用最少量材料的同时，能够提供最大的表面区域用于芯吸。另外，由于片材的厚度和宽度减小，可以使具有偏置沟槽的流体控制薄膜比如图2k所示的具有对准的沟槽的流体控制薄膜更柔软。如图2k所示，本发明的流体控制薄膜在其中可以具有一个或多个洞或孔58，所示洞或孔使得一部分流体与该流体控制薄膜的前表面接触，以被传输到薄膜的后表面，从而改善流体控制。所述孔不必与沟槽的切口对准，并且不必与沟槽具有近似相同的宽度。流体控制薄膜在孔中的表面可以是亲水性的。
如图2g和2j所示，在每个主沟槽(48，56)中有至少两个次级沟槽(52，60)和至少两个切口(54，62)，每个次级沟槽(52，60)的(一个或多个)切口被次级峰(64，66)分隔开。一般而言，每个次级沟槽通常仅具有一个切口，但是如果次级沟槽是矩形的话，次级沟槽将具有两个切口。对于V沟槽形的次级沟槽，次级峰(64，66)通常由夹角β描述其特征，β通常等于(α1+α2)/2，其中α1和α2是两个相邻的V沟槽形的次级沟槽(52，60)的夹角，假设形成每个次级沟槽的两个侧壁是对称的且不是弯曲的。一般而言，角β是约10°至约120°，例如约10°至约110°，在一些实施例中为约20°至约100°。次级峰也可是平坦的(在这种情况下，理论上夹角将是0°)或者甚至弯曲的，例如凸的或凹的，而没有明显的顶部或夹角。一般而言，对于每个主沟槽(48，56)，存在至少三个次级沟槽(52，60)和/或至少三个切口(包括与末端沟槽结合的任何切口(54，62)，例如图2g所示的切口68和70)。
次级沟槽(52，60)中的一个的深度(次级峰64的顶部在切口54上的高度)在流体控制薄膜的整个长度上是均匀的，并且通常为至少5微米。次级沟槽(52，60)的深度通常是主沟槽深度的0.5％至80％，例如5％至50％。切口(54，62)在峰的任何一侧上的间距在流体控制薄膜的整个长度上都可以是均匀的。在流体控制薄膜的给定长度上，对于每个沟槽，主沟槽深度及宽度和/或次级沟槽深度及宽度的变化可以小于20％，例如小于10％。次级沟槽深度和形状变化超出该范围，对流体沿流体控制薄膜传输的速率和均匀性都有重大的负面影响。通常，主沟槽和次级沟槽都是连续的且未受干扰的。
本发明的微结构表面的各个液流沟槽基本上可以是分立的。也就是说，流体可以独立于相邻沟槽中的流体而运动通过沟槽。沟槽相对彼此独立地容纳势能，以将流体独立于相邻沟槽而沿某一特定的沟槽引导或者通过该沟槽。一般而言，在一定程度上，进入一个液流沟槽的流体不会进入相邻的沟槽，但是在相邻的沟槽之间可能存在一些扩散。为了有效地传输流体和保持这些沟槽所提供的优点，有效地保持这些沟槽的分立性是重要的。但是，对于所有的实施例，并非所有的沟槽都必须是分立的。一些沟槽可以是分立的，而其它的沟槽不是分立的。
某些微结构表面具有沟槽。这些沟槽的最小纵横比(对于沟槽，定义为长度/水力半径)是10∶1，在一些实施例中超出约100∶1，在其它的实施例中至少为约1000∶1。在顶端，该纵横比可能是无限地高，但是通常小于约1,000,000∶1。沟槽的水力半径不超过大约300微米。在很多实施例中，该水力半径可以小于100微米，并且可能小于10微米。虽然对于很多应用，该水力半径越小越好(该水力半径的尺寸可以在亚微米级上)，但是对于大多数实施例，该水力半径通常不会小于1微米。如下面更详尽的描述，限定在这些参数内的沟槽通过有效的流体传输设备提供有效的大量流体传输。
结构表面还可以设置有非常低的外形。因此，设想这样的流体传输设备，其中结构聚合层的厚度小于5000微米，例如小于约3500微米。在一些实施例中，该厚度小于约1500微米，例如小于700微米，在特殊的实施例中，小于650微米。为此，微结构特征可以由这样的峰限定，所述峰的高度大于约5微米，例如大于50微米，在一些实施例中大于约100微米。这些峰的高度通常小于1200微米，例如小于1000微米，在一些实施例中小于700微米。微结构特征可以由这样的峰限定，所述峰与峰之间的距离大于约10微米，例如大于100微米，在一些实施例中大于约200微米。这些元件的距离通常小于4500微米，例如小于2000微米，在一些实施例中小于1500微米。
用于本发明的流体沟槽的一些实施例可以具有任何合适的几何形状，但是通常是矩形(通常，深度为50至3000微米，宽度为50至3000微米)或V沟槽图形(通常，深度为约50至3000微米，例如500微米，高度为50至3000微米，例如500微米)，所述V沟槽图形的夹角通常是20度至120度，例如约45度。
在图2i中示出本发明的流体传输薄膜的一个实施例，其为可替换的流体控制薄膜138。薄膜138具有被限定在峰140之间的宽沟槽139。多个较小的峰141位于峰140的侧壁142之间。因此，较小的峰141将次级沟槽143限定在其间。较小的峰141不如峰140那么高，并且如图所示，形成第一宽沟槽139，第一宽沟槽139包括分布于其中的较小的沟槽143。
例如，可以通过诸如挤压法、注压法、压花法、热压法等之类的工艺来制造本发明的合适的流体控制薄膜。在压花法中，使基底(例如热塑性材料)变形或者模制基底。该方法通常在高温和可能加压的条件下进行。可以使基底或材料复制或近似复制标准工具的表面结构。因为该方法产生相对较小的结构，并且有时重复多次，所以该方法称为微复制。在美国专利No.5,514,120中描述适合用于微复制的工艺。
为了示例性的目的，再次参照图2a，层22包括结构表面24和位于下面的主体层26。层22在其与结构表面24相对的一侧上可以包括一个或多个附加材料层(例如层26a或26b)，或者这些附加层或其它材料可以嵌入在主体层26中。主体层26(以及其中可能的附加层或材料)构成用于结构表面24的背衬。适用于本发明的流体控制制品的背衬包括本领域中已知的常规背衬，包括纤维非织物和纤维织物、编织物、泡沫材料、微米和纳米多孔材料以及其它熟悉的背衬材料。一些背衬包括薄的(例如，小于约1.25mm，例如小于约0.05mm)弹性背衬。这些类型的背衬有助于确保本发明的流体传输层与基底表面不规则性的一致性以及与基底表面的高粘附性。背衬材料包括(例如)聚氨酯、聚醚聚酯、聚醚酰胺以及聚烯烃(例如，低密度的聚乙烯)、纤维素材料。其它有用的背衬还可结合阻燃材料。通过共挤出多个层并维持表面亲水性，可以使用多层方法来提供微复制薄膜，其中所述多个层中的一个或多个为阻燃层(例如在Kollaja等人的PCT国际公开No.WO99/28128中所披露的)。
适用于本发明的流体传输制品的粘合剂包括对各种极性和非极性基底提供可接受的粘附力的任何粘合剂。粘合剂可以是压敏的，在某些实施例中，可以防止吸收含水材料，并且不会引起腐蚀。合适的压敏粘合剂包括那些丙烯酸酯系粘合剂、聚氨酯系粘合剂、嵌段共聚物系粘合剂、有机硅系粘合剂、橡胶系粘合剂(包括天然橡胶、聚异戊二烯、聚异丁烯、丁基橡胶等)以及这些粘合剂的组合。粘合剂组分可以包括增粘剂、增塑剂、流变改性剂以及活性组分(例如用于抑制建筑物组件中的真菌和霉菌的抗微生物剂)。在使用之前，可以用可除去的衬里保护粘合剂表面。
可用于本发明的粘合剂复合物中的示例性压敏粘合剂是施加到各种基底(例如美国专利No.RE24,906中所述的丙烯酸共聚物，特别是97∶3异辛基丙烯酸∶丙烯酰胺共聚物)上的普通粘合剂。另一个例子是65∶35 2-乙基己基丙烯酸∶丙烯酸共聚物，为此有用的粘合剂在美国专利No.5,804,610和No.5,932,298中被描述。另一种有用的粘合剂可以是阻燃性粘合剂。也设想在粘合剂中包含抗微生物剂，如美国专利No.4,310,509和No.4,323,557所述。
还可以将结构表面结合到粘合剂层中。在这种情况下，粘合剂必须由具有流体芯吸图形的镜面图像的微复制衬里支撑，或者粘合剂必须具有足够的屈服应力和/或蠕变抗力以在存储过程中防止图形流动和缺失。通过稍微交联粘合剂(例如，使用共价和/或离子交联，或者通过提供足够的氢键)，非常方便地增大屈服应力。此外，应该明白，通过同样的方法，粘合剂层可以是不连续的，从而允许容易的无气泡的应用。适合用于本发明的粘合剂复合物的衬里可以由牛皮纸、聚乙烯、聚丙烯、聚酯或任何这些材料的复合物制成。
衬里通常涂有脱模剂，例如含氟化合物或硅树脂。例如，美国专利No.4,472,480描述了低表面能的全氟化合物衬里。衬里的例子是涂有硅树脂防粘材料的纸、聚烯烃膜或聚酯膜。可市购到的涂有硅树脂的防粘纸的例子是可得自James River公司的H.P.Smith分公司(位于美国伊利诺伊州Bedford Park市)的POLYSLIKTM硅树脂防粘纸和由Daubert Chemical公司(位于美国伊利诺伊州Dixon市)供应的硅树脂防粘纸。具体的衬里是可得自Daubert公司的1-60BKG-157纸衬里，该衬里是优质的日历牛皮纸，该牛皮纸具有基于水的硅树脂防粘表面。
图3a和图3b示出当流体设置于本发明的结构表面时横跨具有多个平行沟槽的结构表面的面的流体流动效应，具体而言，是被暴露的流体表面面积增大的流体流动效应。具有限定在其上的多个沟槽252的结构表面250具有被引入其上的流体。在该示例性的说明中，结构表面具有与图2a类似的外形，具有交替的峰254和谷256。流体260引入到结构表面250上。形成沟槽252以沿每个沟槽自发地通过芯吸带走流体，所述沟槽接收流体于其中以增大流体在x方向上的空间分布。当流体260填充每个沟槽252时，流体在每个沟槽252的脊之间的y方向上的空间分布也会增大，并且，流体260在每个沟槽252的z方向上的弯月形高度会发生改变，如图3b所示。邻近每个脊，流体的外露表面262就越高。在三维上的这些效应起到增大流体260的外露的蒸发有效的表面区域，所述蒸发有效的表面区域的增大又具有提高流体260从结构表面250上的蒸发速率的作用。
流体控制组件可以包含粘合剂，所述粘合剂与流体控制薄膜结合以形成胶带，所述流体控制薄膜与所述微结构表面相对。粘合剂可以是连续的或不连续的。粘合剂提供将胶带以与理想的流体流动一致的方式安装到结构上的手段。可以用各种添加剂制造胶带，例如，所述添加剂使胶带阻燃、亲水、杀菌、疏水或者能够芯吸酸性、碱性或油性材料。胶带可以采用V形或U形或矩形的微结构(或其组合)，所述微结构按径向相交、直线的或任何其它常规或随机的图形排布，所述图形对于建筑建材设计的最佳流体流动是理想的。胶带还可以通过蒸发机制来分散流体。
本发明的胶带提供连接装置，所述连接装置允许具有最小湿气入口的复杂结构。连接装置可以是任何用于连接的装置，例如粘合剂、机械、静电、磁性或弱力连接装置。如果连接装置是粘合剂，则粘合剂可以是结构粘合剂或压敏粘合剂，并且包括大类的丙烯酸酯、非极性丙烯酸酯、合成橡胶、聚烯烃或天然橡胶。机械连接装置可以包括塑型工具(plastiform)、锁结斜面(locking taper)或钩环形背衬。另外，胶带可以并入到该结构中，例如钉固住。本发明的流体控制薄膜可用于各种建筑物组件中以控制湿气和与湿气相关的问题。
在一些实施例中，多孔盖层可以设置于流体控制薄膜上。具体而言，盖层可以设置于微结构表面上。盖层可以选自于由木材、水泥。金属组成的群组中。在一个实施例中，盖层是多孔的，并且可以采用非织物材料的形式。通常，盖层的底侧通过压敏粘合剂或焊接固定到流体控制薄膜的顶侧上。
适合用于本发明的流体控制薄膜在美国专利No.6,290,685、No.6,525,488、No.6,514,412、No.6,431,695、No.6,375,871、No.5,514,120、No.5,728,446和No.6,080,243以及美国公开No.2002-0011330中被描述。本发明的某些流体控制薄膜是采用片或膜的形式，而不是一堆纤维。本发明的流体控制薄膜的沟槽可提供的流体流动比用织物、泡沫材料或由纤维形成的纤维束所获得的流体流动更有效。形成纤维的沟槽壁表现出相对随机的波动和复杂的表面，从而妨碍流体通过沟槽的流动。相反，本发明的沟槽由预定的图形精确地复制成，并且形成一系列独立的开口的毛细沟槽，所述毛细沟槽沿主表面延伸。通常，这些以片或膜形式形成的微复制沟槽沿基本上每个沟槽长度(例如，从一个沟槽到另一个沟槽)都是均匀的、有规则的。片或膜可以是薄的、挠性的、生产成本高效的，对于预期的应用，所述片或膜可以形成有理想的材料性质，如果需要的话，在其一侧上可以具有连接装置(例如粘合剂)以易于应用到各种使用表面上。在一些实施例中，薄膜可以是非挠性的。
本发明的某些流体控制薄膜能够沿薄膜沟槽自发并均匀地传输流体。影响流体控制薄膜自发传输流体的能力的两个主要因素是：(i)表面的几何形状或外形(沟槽的毛细作用、尺寸和形状)和(ii)薄膜表面的性质(例如，表面能)。为了实现所需量的流体传输能力，设计者可以调节流体控制薄膜的结构或外形，并且/或者调节流体控制薄膜表面的表面能。为了由流体控制薄膜产生的密闭沟槽芯吸起作用，通常，该薄膜是足够亲水性的，以允许所需的流体润湿表面。一般而言，为了促进开口沟槽中的自发芯吸，流体必须润湿流体控制薄膜的表面，并且接触角等于或小于90度减去切口角的一半。
本发明的流体控制薄膜可由适用于浇注或压花的任何聚合材料形成，所述聚合材料包括(例如)聚烯烃、聚酯、聚酰胺、聚(氯乙烯)、聚醚酯、聚酰亚胺、聚酰胺酯、聚丙烯酸酯、聚乙酸乙烯酯、聚乙酸乙烯酯的水解衍生物等。具体实施例使用聚烯烃，特别是聚乙烯或聚丙烯、其混合物和/或共聚物、以及丙烯和/或乙烯与少部分其它单体的共聚物(例如乙烯乙酸酯或丙烯酸酯(例如甲基丙烯酸酯和丁基丙烯酸酯))。聚烯烃容易复制浇注或压花辊的表面。它们是坚韧的、耐用的，并且能够很好地保持其形状，从而使得这种薄膜在浇注或压花工艺之后容易处理。亲水聚氨酯具有物理性质和固有高的表面能。或者，流体控制薄膜可以由热固性树脂(可固化的树脂材料)(例如，聚氨酯、丙烯酸酯、环氧树脂和硅树脂树脂)浇注成，并且通过暴露辐射(例如，热、UV或电子束辐射等)或湿气而被固化。这些材料可以包含各种添加剂，所述添加剂包括表面能改性剂(例如表面活性剂和亲水聚合物)、增塑剂、抗氧化剂、颜料、脱模剂、抗静电剂等。还可以使用压敏粘合剂材料来制造合适的流体控制薄膜。在一些情况中，可以使用无机材料(例如，玻璃、陶瓷或金属)形成沟槽。通常，在暴露于流体时，流体控制薄膜基本上保持其几何形状和表面特性。
在一些实施例中，流体控制薄膜可以包含改变特性的添加剂或表面涂料。添加剂的例子包括阻燃剂、疏水性组分、亲水性组分、抗微生物剂、无机物、阻蚀剂、金属颗粒、玻璃纤维、填料、粘土和纳米级颗粒。
可以对薄膜的表面进行改性以确保足够的毛细作用力。例如，可以对微结构表面进行改性以确保该表面是足够亲水性的。通常，可以对薄膜进行改性(例如，通过表面处理，施加表面涂料或剂，或者混合所选的用剂)，使得薄膜表面是亲水性的，从而与水性流体的接触角为90°或更低。
可以利用任何已知合适的方法来在本发明的流体控制薄膜上实现亲水性表面。可以使用表面处理，例如局部施用表面活性剂、等离子体处理、真空沉积、亲水性单体的聚合、将亲水性成分嫁接到薄膜表面上、电晕或火焰处理等。或者，在薄膜挤出时，可以将表面活性剂或其它合适的药剂与树脂一起混合作为改变内部特性的添加剂。通常，将表面活性剂混合到聚合物组合物中(流体控制薄膜由所述聚合物组合物制成)，而不是局部施用表面活性剂涂料，因为局部施用涂料可能往往会填充(即钝化)沟槽的切口，从而妨碍本发明涉及的理想的流体流动。当施加涂层时，通常涂层是薄的，从而有助于在结构表面上形成均匀的薄层。可混合到聚乙烯流体控制薄膜中的表面活性剂的示例性例子是TRITONTMX-100(得自位于美国康涅狄格州Danbury市的Union Carbide公司)，辛基苯氧基聚乙氧基乙醇非离子表面活性剂，例如按约0.1重量％和约0.5重量％之间的浓度使用。本发明的薄膜的表面改性的示例性方法是局部施用反应产物的1％水溶液，所述反应产物包含90重量％或更高的浓度。
适合用于本发明的建筑建材应用以便提高耐久性要求的其它表面活性剂材料包括PolystepB22(得自位于美国伊利诺伊州Northfield市的Stepan公司)和TRITONTM X-35(得自位于美国康涅狄格州Danbury市的Union Carbide公司)。
表面活性剂或表面活性剂的混合物可以施加到流体控制薄膜的表面上或者灌注到制品中，以调节流体控制薄膜或制品的性质。例如，可能希望使流体控制薄膜的表面比没有这种组分的薄膜的亲水性更强。
本发明的实施例在产品的整个使用期内保持理想的流体传输性质，流体控制薄膜并入到所述产品中。通常，在制品的整个使用期内表面活性剂在制品中的可用含量是足够的，或者表面活性剂固定在流体控制薄膜的表面上。例如，羟基官能的表面活性剂可以通过将表面活性剂与二烷氧基或三烷氧基硅烷官能团一起功能化而被固定到流体控制薄膜。然后，表面活性剂可以施加到流体控制薄膜的表面上，或者灌注到制品中，随后该制品暴露于湿气中。湿气导致水解，然后缩合成聚硅氧烷。羟基官能表面活性剂(特别是1，2二醇表面活性剂)还可以通过与硼酸盐离子结合而被固定。合适的表面活性剂包括阴离子、阳离子和非离子表面活性剂，但是，由于非离子表面活性剂具有相对较低的刺激性，可以使用非离子表面活性剂。例子包括聚乙氧基表面活性剂和聚葡糖苷表面活性剂，例如聚乙氧基烷基醇、聚乙氧基芳烷基醇、聚乙氧基烯烃醇、乙烯氧化物和丙烯氧化物的共聚物、烷基聚葡萄糖苷、聚甘油酯等。在Serial No.08/576,255中披露了其它合适的表面活性剂。
如上所述，诸如亲水聚合物或聚合物的混合物之类的表面活性剂可以施加到流体控制薄膜的表面上，或者灌注到制品中，以调节流体控制薄膜或制品的性质。或者，可将亲水性单体加入到制品中，并且在原位置上聚合以形成互渗的聚合物网络。例如，可以添加亲水丙烯酸酯和引发剂，并且通过热或光化辐射使所述亲水丙烯酸酯和引发剂聚合。
合适的亲水聚合物包括：乙烯氧化物的均聚物和共聚物；结合乙烯不饱和单体(例如乙烯吡咯烷酮、羧酸、磺酸或磷酸官能丙烯酸酯(例如丙烯酸)、羟基官能丙烯酸酯(例如羟乙基丙烯酸酯)、乙烯乙酸酯及其水解衍生物(例如聚乙烯醇)、丙烯酰胺、聚乙氧基丙烯酸酯等)的亲水聚合物；改性的亲水纤维素以及多糖(例如淀粉和改进的淀粉、葡聚糖等)。
如上所述，亲水硅烷或硅烷的混合物可以施加到流体控制薄膜的表面上，或者灌注到制品中，以调节流体控制薄膜或制品的性质。合适的硅烷包括在美国专利No.5,585,186中所披露的阴离子硅烷、以及非离子或阳离子亲水硅烷。在某些情况下可以使用阳离子硅烷，所述阳离子硅烷具有这样的优点，即：这些硅烷中的某些也被认为具有抗微生物的性质。
一般而言，固体薄膜易被流体润湿的程度由接触角来描述，所述接触角是流体沉积在水平放置的表面上并达到稳定之后与固体表面所成的角。该角有时称为“静态平衡接触角”，有时只称为本文中所指的“接触角”。
流体控制薄膜与外建筑物墙组件中的基底结合。为了本申请的目的，结合的装置位于与限定的表面相同的一侧上，并且还与该表面直接接触或者通过其它层接触。外建筑物墙组件包括基底。基底的例子包括墙框和用于限定开口的框架(例如，窗边框或门边框)。其它的例子边框墙盖板、窗户、屋顶、外包层(挡板、灰泥、砖等)以及外部隆起部(例如，电插座)。在一些实施例中，整个房屋被流体控制薄膜包围(“房屋包裹(house wrap)”)。
图4a示出屋顶结构400，其中会合的屋顶斜面402a和402b在谷404相会。镀锌钢板或其它防水材料用作屋顶谷密封405，并且覆盖屋顶谷404。屋顶斜面402a和402b分别具有外表面403a和403b，屋顶板406附着到所述外表面上。屋顶板406包括底排的遮板408。流体控制薄膜410被固定到邻近屋顶谷404的表面403。此外，流体控制薄膜410至少部分地位于底排的遮板408下。流体控制薄膜410在屋顶表面403和遮板408之间形成密封412，以允许水在重力和毛细作用的影响下从最后一排的遮板408的下面芯吸出，同时抑制水朝上和在遮板408的下面流动。
图4b中示出了屋顶边缘414。这是传统上在冷天气下承负着可能形成的冰坝的屋顶的一部分。此外，如上所述，这里流体控制薄膜410充当密封412，并且减少形成冰坝的可能性。
如图4c所示，流体控制薄膜410的沟槽416的取向可以在如图4c所示的细长的对角线方向上，以形成如上面在图4a和图4b中所述的密封412。凹槽416的另一可替换的取向可以在流体控制薄膜的纵向方向上，所述纵向方向与底排的遮板408平行，以提供防止水进入底排的遮板下的隔障密封(barrier seal)。
图5示出外墙组件的横截面。这种墙壁可以用木制框架(2×4，2×6，未示出)建成，或者用例如结构绝热面板(SIP)组合而成。图5包括石膏板部分或定向结构刨花板(OSB)，代表内面墙部分420a。可任选的绝热层422可以由聚苯乙烯泡沫塑料、发泡性绝热材料、玻璃纤维以及其它已知形式的绝热材料组成。外面墙部分420b可以由定向结构刨花板、胶合板或建材组件中已知的其它材料组成。墙框架部件421代表其大小合适装配成用于组合SIP中的木制盖和底部的任何尺寸的木制框架件，或者具有框架的传统墙壁结构的水平框架件。流体控制薄膜423被粘附或结构式地附着到外面墙420b上。流体控制薄膜的沟槽垂直地取向，以使大量水分在重力的作用下朝下脱落、流出或导出。流体控制薄膜可以按遮板的形式重叠(未示出)，其中最低部分的薄膜首先附着上，随后的层以遮挡湿气的方式重叠在相邻的层上。或者，流体控制薄膜可以是一个大板。房屋或建筑物的外包层或挡板434可以由乙烯基挡板、雪松木遮板、砖、灰泥以及建材行业已知的其它材料组成。流体控制薄膜423可以设置成使得流体控制薄膜的沟槽朝外面向外部的包层、挡板或灰泥434，或者设置成使得沟槽朝内面向内面墙420a。可任选地，非织物或纤维织品类型的材料435可以设置和/或固定在流体控制薄膜423和外包层434之间，如图5所示，或者纤维织品材料435可以设置(未示出)在流体控制薄膜423和外面墙部分420b之间。可设想墙组件具有这样一种流体控制薄膜，该流体控制薄膜从地基到屋顶跨越该墙，其中流体控制薄膜主要在垂直方向上形成沟槽。用粘合剂作为背衬的流体控制薄膜还可以用来覆盖并密封覆盖墙结构的分开的流体控制薄膜部分。
图6中所示的窗框开口421代表在安装窗户单元之前装有框架的窗口。垂直的墙筋或窗侧边框425、水平的墙筋或头顶边框426a以及窗底框426b框住窗口。可以使窗底框426b倾斜以帮助湿气从该开口处离开。另外，在本发明的一个实施例中，如图6所示，流体控制薄膜423可以施加到底框426b上，其中凹槽取向成使得水从窗口引走。在本发明的另一实施例中，流体控制薄膜423可以包括疏水部分423a，所述疏水部分可以用来有效地促进湿气进入沟槽中。可任选地，弯角件428可以用来将湿气从窗户的角落处除去。
基底具有主表面。在一些实施例中，主表面具有与外建筑物墙组件的平面平行的平面。在其它实施例中，主表面具有与外建筑物墙组件的平面不平行的平面。例如，外墙组件具有厚度，并且基底主表面的平面可以穿过该厚度。这种取向的一个具体例子是在如图6所示的门边框或窗边框的底部上。流体传输薄膜上的沟槽可以是平行的，并且其取向在流体流动的方向上。
图7示出外窗口，在多个重叠位置上利用流体控制薄膜包围该外窗口。本发明的一个实施例提供顶盖部分430，所示顶盖部分430与上防雨板431重叠，该上防雨板431与侧边框432重叠，该侧边框432与底框防雨板433重叠，该底框防雨板433与房屋包裹材料434重叠并位于流体控制薄膜的窗户部分435的下面，以使得水通过毛细作用和重力而从墙壁或窗户区域流出。房屋包裹材料434可以代表分立的薄膜件或连续的房屋包裹材料，从而为流体排水系统提供连通性。窗底框防雨板433可以延伸到434，或者可任选地在每一侧上都是连续的并且朝下改变90度的角，以倒“U”(未示出)形延伸到墙壁结构的底部，以便完全排水。
在图8所示的本发明的另一实施例中，窗户单元组件440包括通过窗户单元压条442被置于合适位置的窗玻璃(window pane)441。流体控制薄膜443被固定到窗户单元压条442的顶边和侧边上，并且可任选地与窗户的角落周围相吻合，以为水通过毛细作用流出提供连续的流体控制。具有被设计成允许空气流动的可替换的凹槽结构444的流体控制薄膜，可任选地设置在窗玻璃441的下面。流体控制薄膜443可以连接到房屋包裹流体控制薄膜434，如图7所示。
图9a示出墙组件451的外部隆起部450。外墙隆起部450可以是对门式窗的一种窗户处理，或者从外包层454表面突出的任何其它结构，并且可以阻断外包层454的排水(water-shedding)作用。外墙隆起部450可以从窗户或其它墙壁开口452中延伸。在本发明的一个实施例中，外墙隆起部450的顶边450a、侧边450b和可任选的底边450c被流体控制薄膜453覆盖。或者，可以将形成该外墙隆起部450的材料本身形成为结合有微结构流体控制表面。在外墙隆起部的侧边450b上的流体控制膜453(或者流体控制表面)被设置成提供沟槽，所述沟槽沿着朝下并远离外包层454的对角线，以便通过重力和毛细作用将水457和湿气从外包层454引出，如放大图9b所示。外墙隆起部450的顶边450a和底边450c的流体控制薄膜453或流体控制表面具有沟槽，所述沟槽对流体流入到外墙隆起部450的侧边450c和流体从外墙隆起部450的侧边450c中流出都提供了连续的控制。
对于本领域的那些技术人员来说，在不脱离本发明的范围和实质的情况下，对本发明的各种修改和变形将是显而易见的。下面的实例进一步披露了本发明的实施例。
实例
将6.35mm宽的流体控制薄膜带粘附到窗户和门的测试装置上，对三种不同的薄膜设计，测量水除去率。测试装置包括透明的塑料板和垂直的塑料支持台，所述透明的塑料板用来提供模拟的窗或门防雨板，所述塑料支持台用来模拟外墙，如图8所示。在垂直的透明塑料板上切一个矩形孔，以模拟窗口或门口。
通过首先将得自3M公司的50.8微米的合成橡胶系粘合剂层压到如下所述的微结构背衬上以形成胶带来施加该薄膜。然后，使用剃刀式刀具(其中，两个直刀片间隔6.35mm)将流体控制薄膜胶带切开成6.35mm宽。切割薄膜使得胶带的长轴与沟槽平行。然后把流体控制薄膜胶带作为整体的胶带施加到塑料板上。用手将胶带沿塑料板的侧边按直线的方式施加，然后，将流体控制薄膜在上角周围施加成圆角半径，如图8所示，其中没有中断或切割胶带。然后，按照这些第一步骤完成施加胶带，直到流体控制薄膜胶带看起来象图8一样。
一旦流体控制薄膜胶带被施加，就用六个机器螺钉将塑料板固定到垂直的支持台上。用手拧紧这些机器螺钉，以使塑料板和垂直的支持台牢固地固定在一起。
通过将5克水撒到塑料板的上面，并且将该水量与通过沿流体控制薄膜胶带芯吸而被转移的水量比较，来测量水转移率。水撒成使得水在垂直的支持台表面和塑料板的内表面之间流动，从而模拟在窗或门防雨板周围的水泄漏。一旦水撒到测试装置上，就可使水被芯吸15分钟。15分钟后，在流体控制薄膜胶带的两端上将水收集到小瓶中，然后称其重量。对于每个胶带，这样重复两次。然后计算效率，该效率是收集的水的重量除以所撒的水的重量的比值。于是，这个效率是流体控制薄膜胶带密封窗或门防雨板的能力，以及除去进入窗户或门与墙壁之间的流体的能力的量度。
虽然没有测量，但是应当明白，在没有任何流体控制薄膜的情况下，水转移率是0。进入窗户或门后面的任何水将按不受控制的方式渗流，并且很难控制。这个问题是有关窗户和门的水损坏中的公知问题。
胶带A是美国专利No.6,531,206的实例15中所述的胶带，其中流体控制薄膜胶带具有8密耳深的矩形沟槽，在较大的沟槽之间嵌套有较小的沟槽。
胶带B是美国专利No.6,531,206的实例14中所述的胶带，其中流体控制薄膜胶带具有10密耳深的80度的V形凹槽。
胶带C是美国专利No.6,531,206的实例13中所述的胶带，其中流体控制薄膜胶带具有20密耳深的45度的V形凹槽。
  样品     胶带A     胶带B     胶带C
  试验1     2.54克     3.66克     4.63克
  试验2     3.48克     3.64克     4.66克
  平均效率(％)     60.2％     70.3％     92.9％
虽然各部件的特定组合可以作为实施例披露，但是应该预计到，可将各种实施例中所披露的特征组合以实现所要求保护的发明的目的。对于本领域的那些技术人员来说，在不脱离本发明的范围和实质的情况下，对本发明的各种修改和变形将是显而易见的。

Claims (23)

1.一种流体控制组件，该流体控制组件包括：
流体控制薄膜，该流体控制薄膜具有第一侧和第二侧，所述第一侧包括微结构表面，所述微结构表面在所述第一侧上具有多个沟槽；以及
外建筑物墙组件，该外建筑物墙组件包括具有主表面的基底层，所述基底主表面与所述流体控制薄膜结合。
2.根据权利要求1所述的流体控制组件，其中，所述基底主表面与所述流体控制薄膜的所述第一侧结合。
3.根据权利要求1所述的流体控制组件，其中，所述基底主表面与所述流体控制薄膜的所述第二侧结合。
4.根据权利要求1所述的流体控制组件，其中，所述流体控制薄膜是可渗透水蒸气的。
5.根据权利要求1所述的流体控制组件，所述流体控制组件还包括非织物层，所述非织物层与所述流体控制薄膜的所述第一侧结合。
6.根据权利要求1所述的流体控制组件，其中，所述基底是密封的绝热板。
7.根据权利要求1所述的流体控制组件，所述流体控制组件还包括粘合剂，所述粘合剂置于所述流体控制薄膜的所述第二侧上。
8.根据权利要求7所述的流体控制组件，其中，所述粘合剂是连续的层。
9.根据权利要求7所述的流体控制组件，其中，所述粘合剂是不连续的。
10.根据权利要求1所述的流体控制组件，其中，所述基底是用于被限定的开口的框架。
11.根据权利要求10所述的流体控制组件，其中，所述框架是窗边框。
12.根据权利要求10所述的流体控制组件，其中，所述框架是门边框。
13.根据权利要求1所述的流体控制组件，其中，所述基底是窗底框。
14.根据权利要求1所述的流体控制组件，其中，所述基底是墙盖板。
15.根据权利要求1所述的流体控制组件，其中，所述基底是窗。
16.根据权利要求1所述的流体控制组件，其中，所述基底是屋顶。
17.根据权利要求1所述的流体控制组件，其中，所述基底是外包层。
18.根据权利要求1所述的流体控制组件，其中，所述基底是外隆起部。
19.根据权利要求1所述的流体控制组件，其中，所述基底具有内侧和外侧。
20.根据权利要求1所述的流体控制组件，其中，所述流体控制薄膜包含抗微生物添加剂。
21.根据权利要求1所述的流体控制组件，其中，所述基底的主表面在与所述墙组件的平面平行的平面内。
22.根据权利要求1所述的流体控制组件，其中，所述基底的主表面在与所述墙组件的平面不平行的平面内。
23.一种控制墙组件中的流体的方法，该方法包括：
提供外建筑物墙组件；
提供流体控制薄膜，所述流体控制薄膜具有第一侧和第二侧，所述第一侧包括微结构表面，所述微结构表面在所述第一侧上具有多个沟槽；以及
将所述流体控制薄膜固定到所述墙组件的表面上。
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