CZ2021287A3 - Povrchová struktura tělesa a způsob výroby takové povrchové struktury - Google Patents

Povrchová struktura tělesa a způsob výroby takové povrchové struktury Download PDF

Info

Publication number
CZ2021287A3
CZ2021287A3 CZ2021-287A CZ2021287A CZ2021287A3 CZ 2021287 A3 CZ2021287 A3 CZ 2021287A3 CZ 2021287 A CZ2021287 A CZ 2021287A CZ 2021287 A3 CZ2021287 A3 CZ 2021287A3
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
areas
hydrophobic
contact angle
surface structure
hydrophilic
Prior art date
Application number
CZ2021-287A
Other languages
English (en)
Inventor
Stanislav PetrĂ­k
CSc. Petrík Stanislav doc. Ing.
Karolína Voleská
Voleská Karolína Ing., Ph.D.
Zuzana Hrubošová
Zuzana Ing. Hrubošová
Hana Křížová
Křížová Hana Ing. Mgr. Bc, Ph.D.
Original Assignee
Technická univerzita v Liberci
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technická univerzita v Liberci filed Critical Technická univerzita v Liberci
Priority to CZ2021-287A priority Critical patent/CZ2021287A3/cs
Priority to EP21183362.9A priority patent/EP4101901A1/en
Priority to PCT/CZ2021/050132 priority patent/WO2022258086A1/en
Publication of CZ2021287A3 publication Critical patent/CZ2021287A3/cs

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09DCOATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D5/00Coating compositions, e.g. paints, varnishes or lacquers, characterised by their physical nature or the effects produced; Filling pastes
    • C09D5/16Antifouling paints; Underwater paints
    • C09D5/1681Antifouling coatings characterised by surface structure, e.g. for roughness effect giving superhydrophobic coatings or Lotus effect
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08GMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G63/00Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carboxylic ester link in the main chain of the macromolecule
    • C08G63/02Polyesters derived from hydroxycarboxylic acids or from polycarboxylic acids and polyhydroxy compounds
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08GMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G77/00Macromolecular compounds obtained by reactions forming a linkage containing silicon with or without sulfur, nitrogen, oxygen or carbon in the main chain of the macromolecule
    • C08G77/04Polysiloxanes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/10Metal compounds
    • C08K3/105Compounds containing metals of Groups 1 to 3 or of Groups 11 to 13 of the Periodic Table
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/34Silicon-containing compounds
    • C08K3/36Silica
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09DCOATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D183/00Coating compositions based on macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing silicon, with or without sulfur, nitrogen, oxygen, or carbon only; Coating compositions based on derivatives of such polymers
    • C09D183/04Polysiloxanes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09DCOATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D5/00Coating compositions, e.g. paints, varnishes or lacquers, characterised by their physical nature or the effects produced; Filling pastes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09DCOATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D7/00Features of coating compositions, not provided for in group C09D5/00; Processes for incorporating ingredients in coating compositions
    • C09D7/40Additives
    • C09D7/60Additives non-macromolecular
    • C09D7/61Additives non-macromolecular inorganic
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09DCOATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D7/00Features of coating compositions, not provided for in group C09D5/00; Processes for incorporating ingredients in coating compositions
    • C09D7/40Additives
    • C09D7/66Additives characterised by particle size
    • C09D7/67Particle size smaller than 100 nm
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63BSHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B1/00Hydrodynamic or hydrostatic features of hulls or of hydrofoils
    • B63B1/32Other means for varying the inherent hydrodynamic characteristics of hulls
    • B63B1/34Other means for varying the inherent hydrodynamic characteristics of hulls by reducing surface friction
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64DEQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D15/00De-icing or preventing icing on exterior surfaces of aircraft
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/18Oxygen-containing compounds, e.g. metal carbonyls
    • C08K3/20Oxides; Hydroxides
    • C08K3/22Oxides; Hydroxides of metals
    • C08K2003/2237Oxides; Hydroxides of metals of titanium
    • C08K2003/2241Titanium dioxide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/18Oxygen-containing compounds, e.g. metal carbonyls
    • C08K3/20Oxides; Hydroxides
    • C08K3/22Oxides; Hydroxides of metals
    • C08K2003/2265Oxides; Hydroxides of metals of iron
    • C08K2003/2272Ferric oxide (Fe2O3)
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/18Oxygen-containing compounds, e.g. metal carbonyls
    • C08K3/20Oxides; Hydroxides
    • C08K3/22Oxides; Hydroxides of metals
    • C08K2003/2296Oxides; Hydroxides of metals of zinc
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/18Oxygen-containing compounds, e.g. metal carbonyls
    • C08K3/20Oxides; Hydroxides
    • C08K3/22Oxides; Hydroxides of metals
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T70/00Maritime or waterways transport
    • Y02T70/10Measures concerning design or construction of watercraft hulls

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)

Abstract

Popisuje se povrchová struktura tělesa,která obsahuje množství vysoce hydrofobních oblastí s kontaktním úhlem θ od 80° do 170° a vysoce hydrofilních oblastí s kontaktním úhlem θ od 0° do 50° uspořádaných vedle sebe, které se střídají a jejichž velikost se pohybuje v intervalu od 1 µm do 10 cm, přičemž rozdíl mezi kontaktním úhlem θ hydrofobní oblasti a kontaktním úhlem θ hydrofilní oblasti je minimálně 50°. Popisuje se také způsob výroby takové povrchové struktury tělesa, kdy se na povrchu tělesa vytvářejí oblasti vysoce hydrofobní s kontaktním úhlem θ od 80° do 170° a oblasti vysoce hydrofilní s kontaktním úhlem θ od 0° do 50°, které se střídají, jsou uspořádány vedle sebe a mají velikost od 1 µm do 10 cm, přičemž alespoň jedna z oblastí se vytváří nanášením transparentní impregnační kapaliny s příslušnou vlastností, která se po nanesení na povrch tělesa vytvrdí.

Description

Povrchová struktura tělesa a způsob výroby takové povrchové struktury
Oblast techniky
Vynález se týká vytvoření speciální struktury na povrchu těles a způsobu výroby takové struktury.
Dosavadní stav techniky
V současné době je snahou upravovat povrchy těles hydrofobizačními přípravky, aby se zlepšily hydrofobní vlastnosti těchto povrchů a snížilo jejich opotřebení. Pň tom se pro modifikaci povrchů ve velké míře používají nanočástice. Nanočástice propůjčují upraveným povrchům speciální vlastnosti jako je např. jednoduchost čištění, samočisticí schopnost, odpudivost vůči vodě a olejům, ochrana proti mechanickému poškození či např. zamlžování. Nej častěji používanými nanočásticemi používanými k impregnačním účelům jsou nanočástice oxidů kovů např. TiCh, S1O2, ZrO2, AI2O3, Fe2O3 či ZnO.
Nanotechnologie postupně začínají zasahovat do prakticky všech aplikačních oblastí vzhledem k jejich použitelným vlastnostem. Například u povrchových úprav těles pomocí hydrofobních povlaků obsahujících nanočástice, z nichž jsou tvořeny povlaky povrchů těles, např. u lodí se takovouto úpravou jejich trupů sníží spotřeba paliva až o 50 %, díky snížení ulpívání mořské fauny a flory a tím poklesu hydrodynamického odporu.
Obecně platí, že čím nižší je aerodynamický odpor vzduchu např. vozidla, tím hospodárnější je jeho provoz. Velikost aerodynamického odporu je charakterizována pomocí součinitele aerodynamického odporu vzduchu cx. Hodnota tohoto součinitele je měřítkem kvality tvarů vozu z hlediska obtékání jeho karoserie vzduchem.
Hydrofobní povlak lze na povrchu těles vytvořit například pomocí hydrofobizační impregnační kapaliny s nanoaditivy podle CZ PV 2015-417, u níž vodná emulze methylsilikonové pryskyřice s minimálním obsahem 15 hmotnostních procent silikonu obsahuje 0,1 hmotnostního procenta až 60 hmotnostních procent zahušťovadla ve formě lanolinu a/nebo cetylakoholu a nanočástice oxidu zirkoničitého (Zr02) v práškové podobě a/nebo nanočástice oxidu křemičitého (SÍO2) v práškové podobě a/nebo nanočástice oxidu titaničitého (T1O2) v práškové podobě a/nebo nanočástice oxidu hlinitého (AI2O3) v práškové podobě v koncentraci 0,01 g/1 až 10,0 g/1 výchozí vodné methylsilikonové emulze, přičemž užité nanočástice jednotlivých oxidů v práškové podobě mají velikost 5 nm až 100 nm a mohou být použity buď jednotlivě nebo v jejich vzájemné kombinaci.
Tato hydrofobizační impregnační kapalina vytváří na povrchu těles transparentní hydrofobní film, který není třeba nijak tepelně stabilizovat. K úplnému vytvrzení dochází při běžné teplotě do 24 hodin.
V současnosti je více způsobů, jak ovlivnit snížení aerodynamického či hydrodynamického odporu. Např. byl vyvinut materiál inspirovaný strukturou žraločí kůže, který umožnil vývoj superrychlých plavek pro špičkové závodníky. Drobné šupiny na povrchu žraločí kůže usměrňují proudění vody, takže se tvoří minimum vírů, které by jinak pohyb žraloka brzdily. Letadla se potýkají s podobným problémem, neboť turbulentní proudění vzduchu kolem jejich povrchu snižuje jejich efektivitu.
Dalším příkladem snižování aerodynamického odporu je využití struktury povrchu golfových míčků. Dnes víme, že důlkované míčky letí dále než míčky s hladkým povrchem díky kombinaci několika jevů. Za prvé důlky zpožďují odtržení povrchové vrstvy vzduchu, která obklopuje letící míček. Protože zachycený vzduch zůstává přisát k místu déle, vytváří užší stopu turbulentního vzduchu o nižším tlaku, která se vleče za míčkem, a tak snižuje odporovou sílu, která vleče míček
- 1 CZ 2021 - 287 A3 nazpět. Za druhé, když golfová hůl udeří do míčku, obyčejně vyvolá zpětnou rotaci. Přitom se uplatní Magnusův jev. Rychlost vzduchu proudícího kolem míčku se sčítá s rychlostí rotace míčku a při horní části míčku se vytvoří oblast menšího tlaku vzduchu než při dolní. Přítomnost důlků
Magnusův jev zesiluje. Dnešní golfové míčky mají zpravidla 250-500 důlků, které mohou zmenšit odpor vzduchu až na polovinu.
Dále jsou známé způsoby strukturování povrchů tiskových forem pro ofsetový tisk pro vytvoření hydrofilních a hydrofobních oblastí. Barva je hydrofobní kapalina, která se prakticky nemísí s vodou nebo jinou podobnou kapalinou, například alkoholy. Při přeměně na tiskovou formu je vrchní nenarušená vrstva hydrofobní, tj. odpuzuje vodu a naopak přijímá mastnou barvu. Proto pro vytvoření tiskového vzoru (obrazu) se naruší hydrofobní povrch v místech, kde nemá tisknout, vznikne spodní vrstva, která je hydrofílní, přijímá vodu, která pak zabraňuje mastné barvě přilnout na toto místo. V místech, která mají tisknout, se povrch ponechá nenarušený, tedy hydrofobní.
Toto narušení povrchu se provádí buď tradičním způsobem z filmů osvícením, kdy se světlo naruší světlocitlivou vrstvu, zatímco tmavá místa na filmu vrstvu ochrání. Narušená místa se následně vývojkou odplaví a ustalovačem se pak odstraní její světlocitlivost a tisková forma je připravena k použití. Novým způsobem je pak vypalování tiskové formy laserem. Po osvícení laserem pak tisková forma projde rovněž vývojkou, ale nikoliv fotografickou, která z budoucích netisknoucích míst odstraní narušenou hydrofobní vrstvu a vytvoří na nich vrstvu hydrofílní. Hydrofobní vrstva, tedy nenarušený povrch pak slouží k tisku.
Cílem vynálezu je snížení aerodynamického a hydrodynamického odporu těles při jejich pohybu v příslušném prostředí. Základní myšlenkou přihlašovatele bylo vytvořit na povrchu tělesa strukturu, která by tyto odpory snižovala.
Podstata vynálezu
Cíle vynálezu dosáhl přihlašovatel po množství experimentů s úpravami povrchů těles tím, že na povrchu tělesa vytvořil speciální strukturu střídajících se vysoce hydrofobních a vysoce hydrofilních oblastí, které ovlivňují proudění v blízkosti povrchu tělesa.
Podstata povrchové struktury podle vynálezu spočívá vtom, že obsahuje množství vysoce hydrofobních oblastí s kontaktním úhlem Θ od 80° do 170° a vysoce hydrofilních oblastí s kontaktním úhlem Θ od 0° do 50° uspořádaných vedle sebe, které se střídají a jejichž velikost se pohybuje v intervalu od I pm do 10 cm, přičemž rozdíl mezi kontaktním úhlem Θ hydrofobní oblasti a kontaktním úhlem Θ hydrofílní oblasti je minimálně 50°. Touto úpravou se omezuje vznik mikrovíření v blízkosti povrchu tělesa a tím se sníží součinitel aerodynamického odporu a součinitel hydrodynamického odporu.
Při tom je výhodné, jsou-li alespoň jedny z oblastí naneseny na povrchu tělesa, který je tvořen druhou oblastí s opačnými vlastnostmi, kterou v příslušných částech překrývají. Výhodou je snazší nanášení s nižší časovou náročností.
Další možností vytvoření povrchové struktury je, že obě oblasti s opačnými vlastnostmi jsou na povrchu tělesa naneseny střídavě vedle sebe, přičemž každá z oblastí je nanesena samostatně vedle oblasti s opačnými vlastnostmi. Výhodou je tvorba struktury s definovanými vlastnostmi.
Další varianta spočívá v tom, že jedna z oblastí je nanesena na povrchu tělesa a druhá oblast opačná je nanesena na první oblasti, přičemž druhá oblast je na zvolených místech odstraněna, čímž jsou vytvořeny střídající se oblasti s opačnými vlastnostmi. Tuto variantu lze využít zejména na materiálech, které vyžadují předúpravu.
Poměr hydrofobních oblastí a hydrofilních oblastí je 1 : 1 až 1 : 3.
-2CZ 2021 - 287 A3
Pro zlepšení otěrových vlastností a hydrofobity obsahují hydrofobní oblasti nanoaditiva, která jsou tvořena nanočásticemi oxidů kovů.
Přitom je výhodné, jsou-li oxidy kovů voleny ze skupiny Ί1Ο2, SÍO2, ZrO2, AI2O3, Fe2O3 či ZnO buď samostatně, nebo v kombinacích.
Způsob výroby povrchové struktury tělesa podle vynálezu spočívá v tom, že na povrchu tělesa se vytvářejí oblasti vysoce hydrofobní s kontaktním úhlem θ od 90° do 170° a oblasti vysoce hydrofilní s kontaktním úhlem θ od 0° do 50°, které se střídají, jsou uspořádány vedle sebe a mají velikost od Ipm do 10 cm, přičemž alespoň jedna z oblastí se vytváří nanášením transparentní impregnační kapaliny s příslušnou vlastností, která se po nanesení na povrch tělesa vytvrdí. Vytváření bodů se provádí sítotiskem, 3D tiskem nebo fotolitografícky.
Přitom je výhodné, obsahuje-li hydrofobní impregnační kapalina nanoaditiva, která jsou tvořena nanočásticemi oxidů kovů v práškové nebo disperzní formě o velikosti zrn 5 nm až 100 nm. Oxidy kovů jsou přitom voleny ze skupiny T1O2, S1O2, ZrO2, AI2O3, Fe2O3 či ZnO buď samostatně, nebo v kombinacích. Pro zlepšení aerodynamických vlastností i hydrodynamických vlastností se používají stejná nanoaditiva.
Výhodou této modifikace je, že po zaschnutí na substrátu tvoří transparentní film, který není třeba nijak tepelně stabilizovat či vypalovat. K úplnému zaschnutí dochází přibližně po 24 hodinách při běžné venkovní teplotě. Požadovanou odolnost speciální povrchové struktury dodávají nanočástice a správnou strukturu zajišťuje způsob aplikace.
Při jednom ze způsobů aplikace se jedna z oblastí vytváří nanášením impregnační kapaliny s opačnými vlastnostmi, než má povrch tělesa, například na povrch tělesa s hydrofilními vlastnostmi se nanáší oblasti s hydrofobními vlastnostmi. Taková struktura se dá vytvářet například metodou 3D tisku, nebo sítotiskem. Výhodou je přesnost vzoru struktury. Tato varianta se používá pro tvorbu povrchové struktury s body o velikosti v mikroměřítku.
Dalším z možných způsobů je, když se každá z oblastí vytváří nanášením impregnační kapaliny s příslušnými vlastnostmi na povrch tělesa, což lze realizovat s výhodou 3D tiskem, kdy se obě impregnační kapaliny nanášejí současně, nebo následně jedna po druhé, podle počtu tiskových hlav, kterými je 3D tiskárna vybavena. Výhodou je přesnost vzoru struktury. Stejně jako předcházející varianta se používá pro tvorbu povrchové struktury s body o velikosti v mikroměřítku.
Další z možností, že se impregnační kapaliny nanášejí ve dvou krocích následujících po sobě metodou sítotisku. Jedná se snadnou a levnou metodu aplikace, která se používá u aplikací, kde není kladen důraz na přesnost tvaru bodu.
Další variantou je, že se na těleso s hydrofilním povrchem nanese vrstva hydrofobní impregnační kapaliny obsahující fotocitlivou látku, která se na zvolených místech/bodech/oblastech naruší osvícením, načež se narušená místa odplaví vývojkou a jejich světlocitlivost se odstraní ustalovačem, čímž se vytvoří hydrofilní oblasti, takže na povrchu tělesa se obě oblasti střídají. Jedná se snadnou a levnou metodu aplikace, která se používá u aplikací, kde není kladen důraz na přesnost tvaru bodu na menších plochách s bodu v řádu milimetrů.
CZ 2021 - 287 A3
Příklady uskutečnění vynálezu
Příklad 1
Na trup lodi nebo jiného plavidla vyrobený například z polykarbonátu, nebo jiného vhodného plastu, se metodou 3D tisku nanese hydrofobizační impregnační kapalina podle CZ PV 2015-417, která v konkrétním provedení obsahuje methylsilikonovou pryskyřici, izopropylalkohol, cetylalkohol, nanočástice S1O2 a ZrO2 a která vytváří hydrofobní oblasti s kontaktním úhlem 0 od 80° do 170°, v konkrétním provedení 110°, a polyethylen oxid v tekutém stavu, který vytváří hydrofilní oblasti s kontaktním úhlem 0 od 0° do 50°, v konkrétním provedení 30°. Hydrofobní a hydrofilní oblasti se střídají a mají tvar čtverce o velikosti strany 50 pm. Hydrofobní a hydrofilní oblasti spolu těsně sousedí, tedy na sebe navazují. Po nanesení se povrch tělesa nechá na vzduchu vytvrdnout 24 hodin.
Pro nanášení lze využít i metodu sítotisku, přičemž hydrofobní a hydrofilní oblasti jsou opět čtvercového tvaru, ale velikost jejich strany je 1 mm.
Před nanášením je výhodné upravit povrch plavidla působením atmosférického plazmatu pro zvýšení adheze.
U tohoto provedení se hydrofobní oblasti a hydrofilní oblasti střídají rovnoměrně, lze však použít i nerovnoměrné střídání oblastí, přičemž je třeba dodržet poměr hydrofobní ch a hydrofilní ch oblastí v rozmezí 1 : 1 až 1 : 3.
Příklad 2
Trup letadla, nebo jiný výrobek, vyrobený z lehkých kovových slitin se podrobí působení kyseliny fosforečné pro zvýšení adheze jednotlivých vrstev a následně se na něj metodou 3D tisku nanáší hydrofobizační impregnační kapalina tvořená směsí kapaliny podle CZ PV 2015-417 a polyvinylbutyralu v poměru 1:1-1:5 která vytvoří hydrofobní oblasti s kontaktním úhlem θ od 90° do 170°, konkrétním případě 115°. Současně se metodou 3D tisku nanáší na povrch částečně zesítěná hydrofilní karboxymethylcelulóza, která vytváří hydrofilní oblasti s kontaktním úhlem θ od 0° do 50°, v konkrétním případě 40°.
Hydrofobní a hydrofilní oblasti se střídají a mají tvar šestiúhelníka o velikosti strany 1 mm. Hydrofobní a hydrofilní oblasti spolu těsně sousedí, tedy na sebe navazují. Po nanesení se povrch tělesa nechá na vzduchu vytvrdnout 24 hodin.
Příklad 3
Povrchová struktura podle vynálezu může být uplatněna i na tělesech opatřených nátěrem z polymemích hmot, například na povrchu letadel nebo na libovolných tělesech z polymemích materiálů, kdy jsou povrchy jednotlivých dílů nebo povrchy celých výrobků nejprve aktivovány použitím atmosférického plazmatu pro zvýšení adheze. U materiálů s dobrou adhezí nemusí být tento krok uplatněn. Následně se na povrch jednotlivých dílů nebo celých výrobků nanese metodou 3D tisku hydrofobizační impregnační kapalina podle CZ PV 2015-417, která vytvoří hydrofobní oblasti s kontaktním úhlem 120°. Současně nebo následně se na povrch polyethylenoxid, který na povrchu vytvoří hydrofilní oblasti s kontaktním úhlem 40°. Oblasti mají tvar kruhu o průměru 1 mm.
Příklad 4
Na skleněný výrobek, například tabulové sklo nebo tvarované sklo, se metodou 3D tisku nebo sítotisku nanese hydrofobizační impregnační kapalina tvořená směsí kapaliny podle CZ PV 2015-4CZ 2021 - 287 A3
417 a polyvinylbutyralu v poměru 1 : 1 až 1 : 5, která vytvoří hydrofobní oblasti s kontaktním úhlem θ od 90° do 170°, v konkrétním případě 120°. Vzhledem ktomu, že povrch skla je hydrofilní, neboť má nízký kontaktní úhel θ od 0° do 50°, v průměru 35°, vytvořily se tímto způsobem na povrchu skla hydrofobní oblasti, které se střídají s hydrofilními oblastmi tvořenými povrchem skla. U této alternativy se vytvářejí oblasti ve tvaru šestiúhelníka o velkosti strany 1 mm.
Povrchovou strukturu střídajících se hydrofobních a hydrofilních bodů vytvořenou s využitím 3D tisku nebo sítotisku lze použít v mnoha oblastech, zejména při úpravě povrchu těles, která se mají pohybovat prostorem velkou rychlostí pro snížení jejich aerodynamického nebo hydrodynamického odporu, například v automobilovém průmyslu, v letectví, při výrobě nebo úpravě plavidel, úpravě povrchu střeliva a podobně. Navíc lze takovou povrchovou strukturu použít i ve stavebnictví k úpravě povrchů staveb, střech, vnitřních povrchů kanalizačních systémů, vnitřních povrchů potrubí a podobně, kde nahrazuje dnes obvyklou hydrofobní úpravu a dosahuje lepších výsledků. Například při odtávání sněhu na střeše upravené pouze hydrofobní úpravou voda namrzá, zatímco při úpravě povrchovou strukturou podle vynálezu voda nenamrzá a odtává rychleji. Velikost a tvar bodů/oblastí a jejich vzájemné střídání je variabilní a úzce souvisí s velikostí upravovaného tělesa a požadované aplikace. Např. pro povrch letadla se používá střídání menších pravidelně střídajících se oblastí v mikroměřítku. Stejné parametry lze rovněž použít v aplikaci do potrubí. Na střechu domu může být velikost hydrofobních a hydrofilních oblastí povrchové struktury podle vynálezu až 10 cm různého tvaru v závislosti na sklonu a tvaru střechy. Stejnou nebo podobnou velikost oblastí povrchové struktury lze použít při úpravě vnitřních povrchů kanalizačních systémů. Obecně se velikost střídajících se hydrofobních a hydrofilních oblastí pohybuje v rozmezí od Ipm do 10 cm. Při tvorbě povrchové struktury lze využít i vlastnosti upravovaného povrchu materiálu a vytvořit na něm pouze část struktury s opačnými vlastnostmi, viz příklad 4. Tvar bodů může být čtvercový, obdélníkový, kruhový, elipsový a mnohoúhelníkový. Možnosti střídání bodů jsou pravidelné, např. šachovnicový vzor, střídání v pruzích, nepravidelné střídání. Tloušťka povrchové struktury se pohybuje v rozmezí od Ipm do 1 cm.
Příklad 5
Povrchová struktura střídajících se hydrofobních a hydrofilních bodů/oblastí může být alternativně vytvořena s využitím metody UV fotolitografie s využitím fotocitlivé látky citlivé na světlo používané k vytvoření vzorovaného povlaku na povrchu. Proces začíná potažením substrátu s hydrofilním povrchem hydrofobním organickým materiálem citlivým na světlo, například hydrofobizační impregnační kapalinou podle CZ PV 2015-417 obsahuj ící j odid stříbrný, který tvoří fotocitlivou složku. Hydrofobní vrstva se na zvolených místech/bodech/oblastech naruší osvícením, načež se narušená místa odplaví vývojkou a světlocitlivost hydrofobních oblastí se odstraní ustalovačem. Tím se na povrchu vytvoří střídající se hydrofilní a hydrofobní oblasti.
Příklad 6
Za účelem zvýšení adheze mezi upravovaným povrchem a na něj nanášenou impregnační kapalinou/kapalinami lze povrch předupravit (aktivovat) pomocí chemické aktivace nebo plazmatu. Aktivace povrchu se používá za účelem otevření konců uzavřených řetězců materiálů, které mohou poté dále reagovat. K aktivaci plastů se nejčastěji používá atmosférické plazma, které vzniká při atmosférickém tlaku. Tato aktivace má za následek zvýšení povrchového napětí materiálu atím zlepšuje smáčivost povrchu a zároveň odstraňuje nečistoty z aktivovaného povrchu. Pro chemickou aktivaci zejména kovových materiálů se nejčastěji využívají kyselina dusičná a kyselina fosforečná.
Příklad 7
Otěruvzdomost požadované povrchové struktury a její hydrofobnost lze zvýšit použitím vhodných nanočástic obsažených v hydrofobizační impregnační kapalině/emulzi. Využít lze nanočástice zejména ZrO2, S1O2, AI2O3 pro jejich hydrofobizační účinky a další, například T1O2, Fc2O3 či ZnO,
-5CZ 2021 - 287 A3 buď samostatně, nebo v kombinacích. Nanočástice jsou do impregnačních kapalin přidávány jako aditiva, která jsou běžně dostupná v práškové podobě či disperzích.

Claims (15)

  1. PATENTOVÉ NÁROKY
    1. Povrchová struktura tělesa, vyznačující se tím, že obsahuje množství vysoce hydrofobních oblastí s kontaktním úhlem Θ od 80° do 170° a vysoce hydrofilních oblastí s kontaktním úhlem Θ od
    0° do 50° uspořádaných vedle sebe, které se střídají a jejichž velikost se pohybuje v intervalu od
    Ipm do 10 cm, přičemž rozdíl mezi kontaktním úhlem Θ hydrofobní oblasti a kontaktním úhlem Θ hydrofilní oblasti je minimálně 50°.
  2. 2. Povrchová struktura tělesa podle nároku 1, vyznačující se tím, že alespoň jedny z oblastí jsou naneseny na povrchu tělesa, který je tvořen druhou oblastí s opačnými vlastnostmi, kterou v příslušných částech překrývají.
  3. 3. Povrchová struktura tělesa podle nároku 1, vyznačující se tím, že obě oblasti s opačnými vlastnostmi jsou na povrchu tělesa naneseny střídavě vedle sebe.
  4. 4. Povrchová struktura podle nároku 1, vyznačující se tím, že jedna z oblastí je nanesena na povrchu tělesa a druhá opačná oblast je nanesena na první oblasti, přičemž druhá oblast je na zvolených místech odstraněna.
  5. 5. Povrchová struktura tělesa podle libovolného z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že poměr hydrofobních a hydrofilních oblastí se pohybuje v intervalu 1 : 1 až 1 : 3.
  6. 6. Povrchová struktura tělesa podle libovolného z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že hydrofobní oblasti obsahují nanoaditiva, která jsou tvořena nanoěásticemi oxidů kovů.
  7. 7. Povrchová struktura tělesa podle nároku 6, vyznačující se tím, že oxidy kovů jsou voleny ze skupiny T1O2, S1O2, ZrO2, AI2O3, Fe2O3 či ZnO buď samostatně, nebo v kombinacích.
  8. 8. Způsob výroby povrchové struktury tělesa podle libovolného z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že na povrchu tělesa se vytvářejí oblasti vysoce hydrofobní s kontaktním úhlem θ od 90° do 170° a oblasti vysoce hydrofilní s kontaktním úhlem θ od 0° do 50°, které se střídají, jsou uspořádány vedle sebe a mají velikost od Ipm do 10 cm, přičemž alespoň jedna z oblastí se vytváří nanášením transparentní impregnační kapaliny s příslušnou vlastností, která se po nanesení na povrch tělesa vytvrdí.
  9. 9. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tím, že hydrofobní impregnační kapalina obsahuje nanoaditiva, která jsou tvořena nanoěásticemi oxidů kovů v práškové nebo dispergované formě o velikosti zrn 5 nm až 100 nm.
  10. 10. Způsob podle nároku 9, vyznačující se tím, že oxidy kovů jsou zvoleny ze skupiny T1O2, S1O2, ZrO2, AI2O3, Fe2O3 či ZnO buď samostatně, nebo v kombinacích.
  11. 11. Způsob podle libovolného z nároků 8 až 10, vyznačující se tím, že jedna z oblastí se vytváří nanášením transparentní impregnační kapaliny s opačnými vlastnostmi, než má povrch tělesa.
  12. 12. Způsob podle libovolného z nároků 8 až 10, vyznačující se tím, že každá z oblastí se vytváří nanášením impregnační kapaliny s příslušnými vlastnostmi na povrch tělesa.
  13. 13. Způsob podle nároku 11 nebo 12, vyznačující se tím, že impregnační kapaliny se nanášejí ve dvou krocích následujících po sobě metodou sítotisku.
  14. 14. Způsob podle nároku 11 nebo 12, vyznačující se tím, že impregnační kapaliny se nanášejí na povrch tělesa současně nebo následně metodou 3D tisku.
    -7 CZ 2021 - 287 A3
  15. 15. Způsob podle nároku 11, vyznačující se tím, že na těleso s hydrofilním povrchem se nanese vrstva hydrofobní impregnační kapaliny obsahující fotocitlivou látku, která se na zvolených místech/bodech/oblastech naruší osvícením, načež se narušená místa odplaví vývojkou a světlocitlivost hydrofobních oblastí se odstraní ustalovačem, čímž se vytvoří střídající se hydrofilní 5 a hydrofobní oblasti.
CZ2021-287A 2021-06-07 2021-06-07 Povrchová struktura tělesa a způsob výroby takové povrchové struktury CZ2021287A3 (cs)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2021-287A CZ2021287A3 (cs) 2021-06-07 2021-06-07 Povrchová struktura tělesa a způsob výroby takové povrchové struktury
EP21183362.9A EP4101901A1 (en) 2021-06-07 2021-07-02 Surface structure of a body and a method of manufacturing such a surface structure
PCT/CZ2021/050132 WO2022258086A1 (en) 2021-06-07 2021-11-15 Surface structure of a body and a method of manufacturing such a surface structure

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2021-287A CZ2021287A3 (cs) 2021-06-07 2021-06-07 Povrchová struktura tělesa a způsob výroby takové povrchové struktury

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CZ2021287A3 true CZ2021287A3 (cs) 2022-12-14

Family

ID=78918597

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2021-287A CZ2021287A3 (cs) 2021-06-07 2021-06-07 Povrchová struktura tělesa a způsob výroby takové povrchové struktury

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP4101901A1 (cs)
CZ (1) CZ2021287A3 (cs)
WO (1) WO2022258086A1 (cs)

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6352758B1 (en) * 1998-05-04 2002-03-05 3M Innovative Properties Company Patterned article having alternating hydrophilic and hydrophobic surface regions
US20070182797A1 (en) * 2006-02-02 2007-08-09 3M Innovative Properties Company Printer having a print wire with alternating hydrophilic and hydrophobic areas to form droplets for printing inks
TWI345835B (en) * 2007-01-02 2011-07-21 Chunghwa Picture Tubes Ltd Organic thin film transistor and method for manufacturing thereof
US20130227972A1 (en) * 2010-01-28 2013-09-05 Wisconsin Alumni Research Foundation Patterned superhydrophobic surfaces to reduce ice formation, adhesion, and accretion
US9139739B2 (en) * 2012-07-13 2015-09-22 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Method for preparing micro-patterned superhydrophobic/superhydrophilic coatings
CZ2015417A3 (cs) 2015-06-22 2017-01-04 Technická univerzita v Liberci Hydrofobizační impregnační kapalina s nanoaditivy pro zlepšení hydrofóbních a dalších užitných vlastností povrchů
US10787231B2 (en) * 2016-07-29 2020-09-29 California Institute Of Technology Systems, methods, and apparatuses for reducing hydrodynamic frictional drag
RU2640888C1 (ru) * 2016-12-30 2018-01-12 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) Интенсивный конденсатор пара с контрастным и градиентным смачиванием
CN111940261B (zh) * 2020-07-21 2023-05-30 华帝股份有限公司 一种基材表面处理方法
CN112221916B (zh) * 2020-10-09 2022-10-18 西北工业大学 基于近壁面气体饱和度调节的超疏水表面气膜调控装置

Also Published As

Publication number Publication date
EP4101901A1 (en) 2022-12-14
WO2022258086A1 (en) 2022-12-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AU2014237168B2 (en) Strippable film assembly and coating for drag reduction
Howell et al. A review of surface roughness in antifouling coatings illustrating the importance of cutoff length
Ahmadzadehtalatapeh et al. A review on the drag reduction methods of the ship hulls for improving the hydrodynamic performance
Kirschner et al. Bio-inspired antifouling strategies
Bixler et al. Bioinspired micro/nanostructured surfaces for oil drag reduction in closed channel flow
Lang et al. Movable shark scales act as a passive dynamic micro-roughness to control flow separation
US6045869A (en) Water-insoluble hydrophilic marine coating and methods
Wei et al. Enhancing the hydrodynamic performance of a tapered swept-back wing through leading-edge tubercles
Candries Drag, boundary-layer and roughness characteristics of marine surfaces coated with antifoulings
DE202007005352U1 (de) Oberflächen-System zur Reduzierung des Strömungswiderstandes von Luft, Gas und Flüssigkeiten
An et al. Directional droplet-actuation and fluid-resistance reduction performance on the bio-inspired shark-fin-like superhydrophobic surface
CZ2021287A3 (cs) Povrchová struktura tělesa a způsob výroby takové povrchové struktury
Fish Biomimetics and the application of the leading-edge tubercles of the humpback whale flipper
Anisimov et al. Modern approaches to the development of marine antifouling coatings
US20150284058A1 (en) Anti-biofouling, fluid dynamic efficient surface covering for structures and method of manufacturing
Yan et al. Slime-groove drag reduction characteristics and mechanism of marine biomimetic surface
Satheesh et al. On the drag reconfiguration of plates near the free surface
Scardino Surface modification approaches to control marine biofouling
JP7391663B2 (ja) 海洋物体周りの長期流れ制御のためのコーティング
Selim et al. Ceramic polymer nanocomposites as eco-friendly marine antifouling coatings
Krishnan et al. Superhydrophobic resistance to dynamic freshwater biofouling inception
Gesser et al. A drag-reducing water insoluble hydrophilic marine coating
US6779476B1 (en) Low solar absorbing nonskid composition and applied configuration for a flight deck
KR102316142B1 (ko) 텍스처링된 표면을 갖는 다층의 자기접착식 오염 방출 필름
Bhushan et al. Roughness-Induced Superliquiphilic/phobic Surfaces: Lessons from Nature