DE10047124A1

DE10047124A1 - Oberfläche, Verfahren zu ihrer Herstellung sowie Gegenstand mit der Oberfläche

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Publication number: DE10047124A1
Application number: DE10047124A
Authority: DE
Inventors: Robert Morgan; Goetz Vollweiler; Klaus Vissing
Original assignee: INDUFLEX SONDERMASCHB; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Induflex Robert Morgan Ek 27337 Blender De; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2000-03-20
Filing date: 2000-09-22
Publication date: 2001-10-18

Abstract

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Oberflächen von Gegenständen, insbesondere flüssigkeitsaufnehmende Behältnisse mit einer Oberfläche und ein Verfahren zur Herstelung der Oberfläche, die extrem hydrophob ist. Die Erfindung beschreibt insbesondere die hervorragende Verwendung einer solchen extrem hydrophoben Oberfläche im Ausgießbereich eines flüssigkeitsaufnehmenden Behältnisses und/oder im Innenwandbereich eines solchen flüssigkeitsaufnehmenden Behältnisses, wobei unter Flüssigkeiten auch solche Flüssigkeiten zu verstehen sind, die bereits ein schwerfließendes Verhalten (wie z.B. Honig) aufweisen, pastös oder thixotrop (z.B. Ketchup, Mayonnaise) sind. Die stark hydrophobe Oberfläche kann auf verschiedenen Werkstoffen wie Metallen, Gläsern, Kunststoffen oder Keramiken ausgebildet sein und ist auch geeignet für Massenware und für beliebige Geometrien. DOLLAR A Der Erfindung liegt zunächst die Aufgabenstellung zugrunde, ein vereinfachtes Verfahren zur Erzeugung einer selbstreinigenden, extrem hydrophoben Oberfläche zu entwickeln. Hierbei soll möglichst auch das Ziel erreicht werden, eine reproduzierbare Oberfläche herzustellen, welche aus verschiedenen Materialien ausgebildet sein kann und welche mit Wasser einen Randwinkel von nicht unter 120 DEG , vorzugsweise nicht unter 140 DEG aufweist. DOLLAR A Oberfläche, die eine künstliche Oberflächenstruktur aus Erhebungen und Vertiefungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Erhebungen geringer ist, als 5 mum und ...

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Oberflächen von Gegenständen, insbesondere flüssigkeitsaufnehmende Behältnisse mit einer Oberfläche und ein Verfahren zur Herstellung der Oberfläche, die extrem hydrophob ist. Die Erfindung beschreibt insbesondere die hervorragende Verwendung einer solchen extrem hydrophoben Oberfläche im Ausgießbereich eines flüssigkeitsaufnehmenden Behältnisses und/oder im Innenwandbereich eines solchen flüssigkeitsaufnehmen den Behältnisses, wobei unter Flüssigkeiten auch solche Flüssigkeiten zu verstehen sind, die bereits ein schwerfließendes Verhalten (wie z. B. Honig) aufweisen, pastös oder thixotrop (z. B. Ketchup, Mayonnaise) sind. Die stark hydrophobe Oberfläche kann auf verschiedenen Werkstoffen wie Metallen, Gläsern, Kunststoffen oder Keramiken ausgebildet sein und ist auch geeignet für Massenware und für beliebige Geometrien.

Stand der Technik, Nachteile des Standes der Technik

Das Benetzungsverhalten einer Oberfläche ist durch zwei Faktoren bestimmt:

- die Festkörper-Oberflächenenergie, die durch die chemische Zusammen setzung festgelegt wird;
- die mikroskopische, morphologische Struktur der Oberfläche, die je nach Beschaffenheit das Abperlverhalten von Flüssigkeiten in enger Abhängigkeit von der chemisch bedingten Oberfläche hier unterstützen oder ab schwächen kann.

So wird z. B. bei manchen Pflanzen der Effekt beobachtet, dass einzelne Pflanzen teile mit Wasser vollkommen unbenetzbar sind, was für diese Pflanzen einen vorteilhaften Selbstreinigungseffekt bewirkt. Diesen als Lotuseffekt bekannte Phänomen beruht auf dem Vorhandensein kleiner Erhebungen, die entweder Wachskristalle sein können oder wachsbedeckte, papillöse Zellenaufstülpungen. Diese Erhebungen bewirken, dass Tropfen (z. B. Regentropfen) die sich auf der unpolaren, niedrigenergetischen Wachsoberfläche bilden, besonders leicht abrollen und eventuell vorhandene Verunreinigungen dabei in sich aufnehmen und entfer nen. Der Lotuseffekt ist insbesondere beschrieben in "Barthlott, W. & C. NEINHUIS (1997), Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces, Planta 202, Seiten 1 bis 8; BARTHLOTT, W. & Co. NEINHUIS (1998), Lotusblumen und Autolacke, Ultrastruktur pflanzlicher Grenzflächen und biomimeti sche unverschmutzbare Werkstoffe, BIONA-REPORT 12, Proc. Int. Congress GTBB, Seiten 281 bis 293, Akad. Wiss. Lit. Mainz (Gustav Fischer Verlag), BARTHLOTT, W. & C. NEINHUIS (1998), Lotus-Effekt und Autolack, Die Selbst reinigung mikrostrukturierter Oberflächen, BiuZ 28, Seiten 314 bis 321.

Ähnliche Effekte wie der Lotuseffekt können auch bei manchen Textilien beobach tet werden, wenn ihre Faser eine chemische Beschaffenheit aufweisen, die bereits von sich aus einen Wasserbenetzungswinkel von <90° hervorruft. Durch ihr Zusammenspiel mit der morphologischen Unregelmäßigkeit der Faserstruktur wird ein extrem großes Abperlverhalten erreicht.

Es gibt bereits verschiedene Ansätze zur Herstellung selbstreinigender Oberflächen. So beschreibt beispielsweise EP 0 772 514 B1 selbstreinigende, hydrophobe Schichten, bei denen der wasser- und schmutzabstoßende Effekt auf Oberflächen strukturen in Verbindung mit einer hydrophoben Chemie zurückgeführt wird. Dieser Lotus-Effekt wurde vom Anmelder des vorgenannten Patents an Blattoberflächen mancher Pflanzen beobachtet und seine Implementierung für technische Produkte durch unterschiedliche Verfahren ist Gegenstand dieses Patents. So wird sowohl die Oberflächenstrukturierung, bestehend aus Erhebungen und Vertiefungen eines an sich hydrophoben Materials ebenso berücksichtigt wie die nachträgliche Hydro phobierung eines oberflächenstrukturierten, nicht wasserabstoßenden Materials und das Aufbringen hydrophober Oberflächenstrukturen auf ein nicht wasser abstoßendes Material. Die Größe der wirksamen Oberflächenstrukturen wird explizit auf einen Bereich von 5 µm bis 200 µm festgelegt, d. h. dass der Abstand der Erhebungen zueinander im Bereich von 5 µm bis 200 µm liegt.

Ein Produkt, das auf der Lehre nach dem vorgenannten europäischen Patent beruht, ist offensichtlich die Fassadenfarbe "Lotusan" der Firma Ispo GmbH, Kriftel.

EP 0 909 747 beschreibt die Herstellung selbstreinigender wasserabstoßender Ziegel durch das Dispergieren inerter Pulverartikel, die mit einer Siloxan-Lösung benetzt werden, die anschließend ausgehärtet wird. Auch hier wird der wasser abstoßende Effekt durch das Zusammenspiel von Oberflächenstruktur und Hydro phobie erreicht. Die Größe der Oberflächenstruktur wird auf 5 µm bis 100 µm festgelegt.

US-A-3,354,022 beschreibt ein Verfahren zur Hydrophobierung von Oberflächen durch das Aufsprühen einer Paraffinlösung oder Dispersion. Durch Verflüchtigung des Dispergier- bzw. Lösemittels entstehen Wachserhebungen von 50 µm bis 80 µm Durchmesser in einem gegenseitigen Abstand von 20 µm bis 160 µm.

CH-PS 26 82 58 beschreibt wasserabstoßende Oberflächen, die durch das Auf bringen zuvor hydrophobierter, keramischer Pulver zusammen mit härtbaren Harzen auf eine Oberfläche hergestellt werden.

Ein weiterer Ansatz zur Herstellung selbstreinigender Oberflächen besteht in der Herstellung photokatalytisch wirksamer Oberflächen, z. B. durch Beschichtung mit TiO₂, wobei bei Lichteinstrahlung sich angesammelte Verunreinigungen durch Einwirkung des Katalysators chemisch zersetzen. Dies ist in Fujishima, A.; Hashimoto. K.; Watanabe, T.: "TiO₂ Photocatalysis - Fundamentals and Applications", BkC Inc., Tokyo, ISBN4-939051-03-X beschrieben.

Hydrophobe Oberflächen können auch durch eine spezielle Plasmapolymerisations technik (DE 195 43 133 C2) hergestellt werden. Die großtechnische Umsetzung, insbesondere im Hinblick auf die gestellte Aufgabe, ist jedoch nicht möglich. Außerdem wird die Strukturierung der Oberfläche nicht genutzt.

Schließlich sei auch noch auf das europäische Patent EP 0 453 897 hingewiesen, welches die Herstellung einer selbstreinigenden Beschichtung für Ofenwandungen beschreibt.

Aufgabe

Der Erfindung liegt zunächst die Aufgabenstellung zugrunde, ein vereinfachtes Verfahren zur Erzeugung einer selbstreinigenden, extrem hydrophoben Oberfläche zu entwickeln. Hierbei soll möglichst auch das Ziel erreicht werden, eine reprodu zierbare Oberfläche herzustellen, welche aus verschiedenen Materialien ausgebildet sein kann und welche mit Wasser einen Randwinkel von nicht unter 120°, vor zugsweise nicht unter 140° aufweist.

Ferner soll eine weitere Aufgabe gelöst werden, nämlich das Ausgießverhalten von Behältern, welche Flüssigkeiten aufnehmen können, stark zu verbessern.

Schließlich soll auch die Aufgabe gelöst werden, attraktive, transparente Behälter bereitzustellen, welche es erlauben, dass das in ihnen aufbewahrte Material nicht an der Innenwandung des Behälters haften bleibt.

Erfindung

Die verschiedenen Aufgaben werden durch die Erfindung mit den Merkmalen nach den Ansprüchen 1, 9, 17, 20, 21, 22 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Der Einfluss der Oberflächenstruktur in Verbindung mit dem chemischen Charakter ist bereits bekannt, allerdings wurden bislang lediglich Oberflächenstrukturen mit Größen, die über 5 µm liegen, berücksichtigt. Überraschenderweise wurde nun festgestellt, dass auch unregelmäßige Oberflächenstrukturen mit einer Größe von weniger als 5 µm, vorzugsweise unter 4 µm bzw. 2 µm, eine hervorragende selbst reinigende Wirkung hervorrufen können.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass selbstreinigende Oberflächen, selbst solche wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, in hervorragender Weise dazu verwendet werden können, das Ausgießverhalten von Behältnissen zu verbessern, wenn eine selbstreinigende Oberfläche im Ausgussbereich ausgebildet ist, wobei dann die beim Ausgießen wirkende Adhäsionskraft auf die Flüssigkeit dramatisch verringert wird.

Besonders geeignet ist hierbei eine selbstreinigende Oberfläche, deren Oberflächen strukturen geringer sind als 5 µm. Dies ist um so überraschender, wird doch in EP 0 772 514 ausdrücklich darauf hingewiesen, dass bei Oberflächenstrukturen die unter 5 µm liegen, der selbstreinigende Oberflächeneffekt nicht festzustellen ist. Als optimal werden dort daher auch Oberflächenstrukturen vorgeschlagen, die im Bereich von 10 µm bis 100 µm liegen.

Auch die weiteren Patente wie EP 0 909 747 oder US-A-3,354,022 beschreiben Oberflächenstrukturen, deren Größe stets über 5 µm liegt.

Durch die Ausbildung der erfindungsgemäßen hydrophoben Oberfläche im Aus gussbereich eines Behälters ist das Ausgießverhalten eines solchen Behälters derart verbessert, dass ein Ablaufen von Flüssigkeitstropfen außen am Behälter (aufgrund der Minimierung der dort auftretenden Adhäsionskraft) unterbleibt. Somit wird eine technische Lösung zur Verfügung gestellt, die ein jahrtausendealtes Problem beseitigt, nämlich das Verhindern des unerwünschten Ablaufens von Tropfen an der Außenseite eines Behältnisses beim/nach dem Ausgießen von Flüssigkeiten aus dem Behältnis. Dieser verbesserte Ausgießeffekt kann unabhän gig vom verwendeten Grundwerkstoff des Behältnisses erreicht werden und zwar auch dann, wenn die Oberflächenstruktur eine Größe im Bereich von 0,1 µm bis 200 µm aufweist.

Schließlich wird erfindungsgemäß auch vorgeschlagen, nicht eine selbstreinigende Oberfläche als Anstrich - wie bei Lotusan - aufzutragen, sondern die extrem hydrophobe Oberfläche in zwei aufeinanderfolgenden Schritten herzustellen, was fertigungstechnisch oftmals einfacher und zuverlässiger ist. Im ersten Schritt wird eine geeignete morphologische Oberflächenstruktur erzeugt. Dies kann beispiels weise durch Feinstrahlen geschehen aber auch durch andere Techniken wie Prägen oder Anätzen. Vorzugsweise wird die morphologische Oberflächenstruktur durch das (Fein-)Strahlen der Oberfläche mit geeignetem Strahlgut (z. B. Strahlgut aus Korund der Körnung 0,125 mm bis 0,35 mm; besonders geeignet ist Strahlgut mit scharkantigen Körnern). Dadurch kann eine durch Erhebungen und Vertiefungen charakteristische (unregelmäßige) Oberfläche mit der gewünschten Oberflächen struktur geschaffen werden, die einen geeigneten Untergrund für die im späteren Schritt (zweiter Schritt) aufzubringende Beschichtung bildet.

Die Wahl des Strahlgutes und die verwendeten Parameter richten sich nach dem vorgegebenen Substratmaterial, welches sowohl polymerer, metallischer als auch keramischer Struktur sein kann. Maßgeblich ist, dass das Strahlgut durch die Bildung einer feinrauhen Oberflächenstruktur der Größe aus dem Bereich von weniger 200 µm bewirkt, was vorzugsweise durch spitze Körner bewerkstelligt wird. Weiterhin ist wichtig, dass der bearbeitete Werkstoff nicht zerrüttet wird, was insbesondere bei Kunststoff zu beachten ist. Das Strahlgut selbst sollte nicht in den bearbeiteten Oberflächen verbleiben um eine gute Haftung der nachfolgen den Beschichtung zu gewährleisten, weshalb dem Strahlvorgang sinnvollerweise eine die Oberflächenstruktur erhaltende Reinigung nachgeschaltet ist.

Der Strahlvorgang ist so auszuführen, dass nicht durch eine Überbehandlung zuviel Material abgetragen wird, so dass etwa bei einer Getränkeeinwegverpackung aus PE beschichtetem Karton, das PE entfernt ist. Es soll lediglich strukturiert werden.

Erfolgt die Ausbildung oder Erzeugung der geeigneten morphologischen Ober flächenstruktur durch Prägen, so kann dies beispielsweise mit einem Prägestempel erfolgen, was auch bei Raumtemperaturen möglich ist, wenn das Substrat, bei spielsweise Oberfläche einer Verpackung, z. B. eine handelsübliche Milchverpac kung ist.

Der zweite Schritt zur Herstellung der hydrophoben Oberfläche besteht im Auf bringen einer konturnachbildenden Beschichtung, die auf glatte Substrate aufge bracht, Benetzungswinkel zwischen 90° und 120° aufweisen würde. Diese Be schichtung kann auch weitere Funktionen wie z. B. Korrosionsschutz oder aber auch einen Versiegelungseffekt aufweisen.

Die konturnachbildende Beschichtung sollte sich insbesondere durch eine niedrige Oberflächenenergie auszeichnen und kann beispielsweise mit dem Verfahren der Plasmapolymerisation aufgebracht werden. Hierbei können wahlweise Verfahren im Niederdruck, als auch bei Atmosphäre genutzt werden. Alternativ oder ergän zend zur Plasmapolymerisation kommen aber auch Verfahren wie das Sol-Gel- Verfahren, Silikonisierung, Teflonisierung oder andere Verfahren in Betracht.

Die konturnachbildende Beschichtung ist wie folgt charakterisiert:

- In ihrer chemischen Zusammensetzung wird sie so gewählt, dass sie mit Wasser bereits auf einer vollkommen glatten Oberfläche bevorzugt einen Randwinkel von mehr als 90° erzeugen würde.
- Ihre Dicke ist so gering, dass sie die maßgeblichen morphologischen Ober flächenstrukturen - die im ersten Schritt hergestellt wurde - nicht überdeckt und dadurch auch nicht unwirksam macht oder verfahrensgemäß die Kontur nachgebildet wird, unabhängig von der Schichtdicke.

Bei der Herstellung der konturnachbildenden Beschichtung durch die Plasmapoly merisation wird ein Gas geeigneter chemischer Zusammensetzung (z. B. HMDSO) als Plasma gezündet und dadurch aktiviert. Als Resultat schlägt sich eine Schicht auf einem dargebotenen Substrat nieder, im vorliegenden Falle auf der strukturier ten Oberfläche (nach dem ersten Schritt). Die konturnachbildende Beschichtung kann auf alle Werkstoffsorten appliziert werden und haftet auf allen gleichermaßen gut. Dies ist verfahrensbedingt dadurch zu erklären, dass die im Plasma erzeugten reaktiven Teilchen sich chemisch an diese binden. Die Erhaltung der Oberflächen strukturen ist gewährleistet. So kann die Schichtdicke im Bereich von 0,1 nm bis 400 nm, vorzugsweise im Bereich von 1 nm bis 50 nm liegen und auch in ihrer Dicke exakt definiert appliziert werden.

Die konturnachbildende Beschichtung kann geschlossen auf der vorstrukturierten Oberfläche ausgebildet sein, kann aber auch durchaus nicht geschlossen sein. Eine geschlossene Beschichtung ist in Schichtdickenbereichen von etwa 5 nm bis 50 nm zu erwarten. Aber auch nur Teilbeschichtungen (z. B. nur auf den Erhebungen) zeigen bereits den gewünschten hydrophoben erfindungsgemäßen Effekt, wobei dies besonders bei einer "gleichmäßigen" Teilbeschichtung erfolgt.

Die Schichtdicke der konturnachbildenden Beschichtung kann im Wesentlichen konstant sein, es ist aber auch durchaus möglich, dass die Schichtdicke auf den Erhebungen und Vertiefungen unterschiedlich ist und die Schichtdicke auf den Erhebungen, zumindest deren exponierten Teilen im Durchschnitt größer ist als die Schichtdicke auf den Vertiefungen.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die sehr einfache Herstellung von extrem hydrophoben Oberflächen auf Werkstoffen unterschiedlichster Geome trie und Materialbeschaffenheit sogar bei Werkstoffkombinationen.

Für die Anwendung der Verbesserung des Ausgießverhaltens für flüssigkeitsauf nehmende Behältnisse ist es wichtig, dass eine In-Line fähige Verfahrenstechnik als auch ein Beschichtungsverfahren ausgewählt wird, welches lebensmittelechte und spülmaschinenfeste Beschichtungen zulässt. Hier kommt daher insbesondere für die Oberflächenstrukturierung das Prägen und Strahlen in Betracht und für die Beschichtung das Atmosphärendruckplasmaverfahren.

Um die Siegelfähigkeit des beschichteten Materials (Die Siegelfähigkeit ist ins besondere bei Einwegverpackungen wichtig) zu definieren, wird eine sehr geringe, weitgehend geschlossene Beschichtung mit einer Schichtdicke von ca. 1 nm bis 20 nm, bevorzugt von Snm bis 10 nm gewählt. Die Siegelkraft kann über die Schichtstärke der (plasmapolymeren) Beschichtung definiert eingestellt werden zwischen keiner Veränderung gegenüber dem unbeschichteten Material (geringe Schichtdicken ca. 1 nm bis 1 Onm) und keiner Siegelfähigkeit (hohe Schichtdicke ab 100 nm).

Auf die Siegelkraft kommt es insbesondere dort an, wo beispielsweise eine Ver packung, z. B. Standard-Milchverpackung von Tetra-Pack®, zwei übereinander liegende Verpackungsmaterialschichten (beschichtetes Papier) aufweist, die mitein ander verbunden werden und die auch gleichzeitig versiegelt sein sollen.

Mit der Einstellung der Siegelkraft kann auch das Aufreißverhalten einer Ver packung, bevorzugt einer Einwegverpackung, so eingestellt werden, dass es an den bevorzugten Aufreißstellen besser voneinander gelöst werden kann, wobei hier noch eine ausreichende Flüssigkeitsversiegelung im nicht aufgerissenen Zustand gegeben ist.

Mit der beschriebenen erfindungsgemäßen hydrophoben Oberfläche kann nicht nur eine Selbstreinigung erreicht werden, sondern auch das Ausgießverhalten von Gegenständen verbessert werden, in denen Flüssigkeiten oder fließfähige Nah rungsmittel aufbewahrt werden. Hierzu gehören z. B. Flaschen, Milchkannen (Kera mik), Kaffee- oder Teekannen (Glas), Saft- oder Milcheinwegverpackungen (be schichtetes Papierl, Ketchup- oder Saucenflaschen usw. Die auszugießenden Flüssigkeiten perlen auf der stark hydrophoben Oberfläche aufgrund der geringen Wechselwirkung ab und können sich somit leicht hiervon ablösen. Abrisskanten, die häufig an Ausgießern verwendet werden, sind somit überflüssig. Selbst Plastik ausgießer, wie sie seit neuerer Zeit von Tetra-Pack-Verpackungen bekannt sind, können mit der Erfindung ersetzt werden, was eine besonders günstige Herstellung von Saft- oder Milcheinwegverpackungen bedeutet, liegt doch der Herstellerpreis eines Ausgießers gemäß der Erfindung deutlich unter der von Ausgießern von modernen Tetra-Pack®-Verpackungen, bei denen ein Plastikkappenverschluss vorgesehen ist, der einen Aluausrissstreifen verdeckt, welcher zum Entleeren der Verpackung abgelöst werden muss.

Bei einer erfindungsgemäßen Saft- oder Milcheinwegverpackung kann hingegen die hydrophobe Oberfläche außen an der Verpackung angebracht werden, beispiels weise im Dachbereich der Verpackung. Diese ist bevorzugt im Ausgussbereich vorgestanzt, so dass sie dort leichter eingedrückt oder der entsprechende Teil herausgerissen werden kann. Umgrenzt die beschriebene hydrophobe Oberfläche die Ausgussöffnung, kann beim Ausgießen keine Flüssigkeit am äußeren Rand erfasst und zurückbehalten werden, sondern sämtliche Flüssigkeit wird mit ausge gossen und es bilden sich keine unerwünschten Ablauftropfen an der Außenseite der Verpackung.

Zum besseren hygienischen Abschluss einer solchen Einwegverpackung kann auch vorgesehen werden, dass diese auch eine Haftverdeckung aufweist, welche einseitig lösbar an der Verpackung ausgebildet ist und welche nach der Teilent leerung der Verpackung mit der gelösten Seite wieder an der Verpackung angehaf tet werden kann, so dass die Ausgussöffnung nahezu luftdicht (oder vollständig luftdicht) verschlossen ist, so dass auch bei unbeabsichtigter Schrägstellung der Verpackung der Ausfluss von Flüssigkeiten soweit wie möglich unterbunden ist.

Die erfindungsgemäße hydrophobe Oberfläche kann auch eine Strömungsober fläche sein, welche die Außenhaut eines Flugzeugs oder eines Fahrzeugs (Eisen bahn, Auto, Schiff, Fahrrad, Boote, Paddel, Sportboote, Surfbretter) oder die Innenwandung einer Leitung (Pipeline) jedweder Art bedeckt.

Durch die Ausbildung der hydrophoben Oberfläche wird nicht nur allgemein das Strömungsverhalten verbessert, d. h. der Strömungswiderstand herabgesetzt, was einen geringeren Energieaufwand (oder höhere Geschwindigkeit bei gleichem Aufwand) für die Bewegung des jeweiligen Fahrzeugs nach sich zieht, sondern gerade bei regnerischem Wetter kann erheblich Kraftstoff gespart werden, weil die auf das Flugzeug oder Fahrzeug auftreffenden Regentropfen erheblich schneller mit dem Fahrtwind weggestreift werden. Auch erscheint die Außenanbringung der beschriebenen erfindungsgemäßen hydrophoben Oberfläche an Schiffsaußen wänden, insbesondere an deren Unterwasserbereich, sinnvoll, um die Reibung zwischen Wasser und dem Schiff herabzusetzen.

Der Einsatz der erfindungsgemäßen Oberfläche erlaubt auch die Vermeidung von Vereisungen bei Flugzeugen bzw. anderen Gegenständen, die schnelle Bewegung durch die Luft erfahren. Regen, der beispielsweise auf ein fliegendes Flugzeug fällt oder prallt und von diesem mitgerissen wird, neigt zu einer schnelleren Verdun stung, was für eine zusätzliche Verdunstungskälte auf der Flugzeugoberhaut führt, was dann ein "sofortiges" Vereisen der betroffenen Oberfläche unterstützt (Blitz eis). Die Ausbildung einer stark hydrophoben Oberfläche gemäß der vorliegenden Erfindung sorgt insbesondere im Zusammenwirken mit der hohen Luftgeschwindig keit dafür, dass die Wassertropfen unmittelbar wieder die Oberfläche verlassen, so dass das Problem der Verdunstungskälte und der Vereisung sich erst gar nicht einstellt. Dadurch ist insgesamt das Flugzeug leichter und es benötigt daher auch eine geringere Energie beim Fliegen. Dies gilt auch für die Ausbildung der erfin dungsgemäßen Oberfläche auf dem Rotorblatt einer Windenergieanlage.

Schließlich kann die erfindungsgemäße Oberfläche überall dort eingesetzt werden, wo Gegenstände mit Flüssigkeiten oder Stäuben in Berührung kommen und wo es gewünscht ist, dass die Haftung zwischen der Flüssigkeit oder den Stäuben und dem Gegenstand herabgesetzt und/oder minimiert wird. Dies ist z. B. bei einer Flüssigkeitsleitung, z. B. einer Pipeline, der Fall.

Die Erfindung sei nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert.

Beispiel 1

Eine Oberfläche aus Aluminium (AlMg3SiO,5) wird mit Strahlmaterial aus Korund gleichmäßig gestrahlt. Das Werkstück wird anschließend in Ethanol im Ultraschall bad gereinigt und nach der Trocknung in einen Plasmareaktor überführt. Hier wird die Aluminiumoberfläche mit einer plasmapolymeren Beschichtung nach dem Stand der Technik versehen.

Die entstandene Oberfläche weist eine sehr feinstrukturierte, unregelmäßige mit extrem hydrophoben Charakter auf. Folgende H₂O-Benetzungswinkel (α) ergeben sich:

Beispiel 2

Ein Werkstück aus PMMA wird wie in Beispiel 1 gestrahlt, im Ultraschall gereinigt und mit einer plasmapolymeren Beschichtung nach dem Stand der Technik ver sehen. Folgende H₂O-Benetzungswinkel ergeben sich:

Beispiel 3

PE beschichteter Karton (Milchverpackung) wird wie in Beispiel 1 gestrahlt, mit Druckluft abgeblasen und mit einer plasmapolymeren Beschichtung nach dem Stand der Technik versehen. Folgende H₂O-Benetzungswinkel ergeben sich:

Durch die Erfindung ist es auch möglich, nicht nur den Ausgussbereich von flüssig keitsaufnehmenden Behältnissen mit einer extrem hydrophoben Oberfläche zu versehen, sondern auch die Innenwandung dieser Behältnisse. Dies ermöglicht es, dass selbst bei Aufnahme von schwerflüssigen oder zur Thixotropie neigenden Massen (Flüssigkeiten) diese nicht an der Innenseite der Wandung hängen bleiben, wenn beispielsweise eine Teilentleerung des Behältnisses erfolgt, sondern das in dem Behältnis verbleibende Massematerial, auch solches, welches noch zunächst an der Innenwandung haftet, fließt soweit wie möglich nach unten hin ab, so dass für den Betrachter des Behältnisses, wenn dies transparent ist, dieses ästhetisch sehr ansprechend aussieht. Dies hat auch eine verbesserte Hygiene zur Folge, weil die Berührungsfläche zwischen dem Massematerial, z. B. Ketchup, Senf, Sauce etc. oder andere fließfähige Lebensmittel, in dem Behältnis und der Luft minimal ist und sich keine Keime an der Innenwandung bzw. an dort verbleibenden Masseresten ausbilden können. Als einfaches Beispiel hierfür sei eine transparente Flasche, beispielsweise aus Glas oder Kunststoff zur Aufnahme von Ketchup oder Saucen genannt. Durch das verbesserte Ausgießverhalten verbleibt dieses Nahrungsmittel material weder im Ausgussbereich noch an der Innenwandung, so dass selbst bei halb geleerten Ketchup- oder Saucenflaschen diese noch immer einen sehr an sprechenden Eindruck vermitteln, keinesfalls den gewohnten Eindruck von innen seitig verschmutzten Flaschen.

Mit der Erfindung ist somit auch die vollständige Entleerung solcher Flaschen möglich, was bisher kaum geschieht, weil stets Reste von Ketchup oder Saucen in den Flaschen verbleiben. Auch wird das Ausfließverhalten von schwerflüssigen Nahrungsmitteln wie Ketchup oder Saucen insgesamt verbessert.

Nachfolgend wird die Erfindung auch anhand von Figuren und Fotografien noch näher erläutert. Hierin zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Oberfläche;

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Oberfläche mit einem darauf liegenden Wassertropfen;

Fig. 3 einen Querschnitt durch den oberen Teil einer Flasche im Querschnitt mit innen- und außenseitig aufgebrachter erfindungsgemäßer Oberfläche;

Fig. 4 eine Aufsicht auf den oberen Teil einer Milchverpackung mit einer dort teilweise aufgebrachten erfindungsgemäßen Oberfläche;

Fig. 5 eine Mikroskopaufnahme eines ungestrahlten Kartons einer Verpackung;

Fig. 6 eine Mikroskopaufnahme einer strukturierten erfindungsgemäßen Ober fläche; und

Fig. 7 eine Mikroskopaufnahme (vergrößerte Darstellung nach Fig. 6) einer erfindungsgemäßen strukturierten Oberfläche.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Oberfläche 7, welche auf einem Substrat 1, be stehend beispielsweise aus Kunststoff, Glas, Keramik oder Metall ausgebildet ist. Wie in der Profildarstellung nach Fig. 1 zu erkennen, besteht die Oberfläche aus Erhebungen 2 und Vertiefungen 3. Der Abstand benachbarter Erhebungen zuein ander beträgt (durchschnittlich) weniger als 5 µm, wobei z. B. der Abstand der Erhebungen zueinander von Erhebungsspitze zu Erhebungsspitze gemessen wird, die auf eine gemeinsame Linie projiziert sind. Die Höhe der Erhebungen ist bevor zugt auch geringer als 5 µm, wobei z. B. die Höhe der Erhebungen von der Spitze einer Erhebung zum benachbarten niedrigsten Niveau der Vertiefung gemessen wird.

Wie in Fig. 1 zu erkennen, ist die so strukturierte Oberfläche 7 (morphologische Oberflächenstruktur) nicht gleichmäßig, was aber nicht ausgeschlossen ist, son dern eher unregelmäßig strukturiert, wobei auch die Abstände zwischen benach barten Erhebungen 5 regelmäßig unterschiedlich sind. Gleiches gilt auch für die Höhe 6 von benachbarten Erhebungen.

Wie in Fig. 1 angedeutet, ist auf der morphologischen Oberflächenstruktur des Substrats 1 eine konturnachbildende Schicht 4 aufgebracht, welche aus einem bevorzugt extrem hydrophoben Material besteht. Die chemische Zusammensetzung dieser Beschichtung ist so gewählt, dass sie mit Wasser bereits auf einer vollkom men planen Oberfläche Randwinkel von mehr als 90° erzeugen würde.

Während die Strukturierung der Oberfläche im Substrat 1 durch die vorbeschriebe nen Verfahren (erster Schritt) erzeugt werden kann, erfolgt die Beschichtung der Schicht 4 bevorzugt durch eine Plasmapolymerisation, wobei das Beschichtungs material auf die Erhebungen und Vertiefungen abgeschieden wird. Die Schichtdicke liegt unter 500 nm, vorzugsweise im Bereich von 0,1 nm bis 300 nm. Besonders gute Ergebnisse ließen sich bei Tests mit einer Schichtdicke von mehr als 7 nm erzielen.

Wird die in Fig. 1 im Profil dargestellte Oberfläche mit einem Wassertropfen 14 benetzt - siehe Fig. 2 -, so bildet dieser dort eine fast ideale Kugel. Hierbei stellt sich zwischen der Oberfläche 7 und der Kugel ein Kontaktwinkel bzw. Benetzungs winkel ein, welcher deutlich größer ist als 120°, z. B. 140° und mehr. Der Kon taktwinkel wird gemessen durch das Anlegen einer Tangente auf der Wassertropf oberfläche und der Berührung der Oberfläche 7 und einer Horizontalen 16.

Durch den so anschnellenden großen Kontaktwinkel neigt der Wassertropfen dazu, leicht von der Oberfläche abzuperlen. In jedem Fall ist die Adhäsion zwischen Wassertropfen und der Oberfläche äußerst gering und um ein Vielfaches geringer als wenn der Wassertropfen auf einer planen Oberfläche, z. B. Glasoberfläche liegen würde, bei der sich dann regelmäßig ein Kontaktwinkel von deutlich weniger als 90° (z. B. 45°) einstellt.

Fig. 3 zeigt den Querschnitt durch den oberen Abschnitt eines flüssigkeitsauf nehmenden Behältnisses, z. B. durch eine Flasche 9. Diese Flasche 9 besteht aus Glas mit einer Innenwandung 12 und einer Außenwandung 13 sowie einem Aus gießbereich 8, üblicherweise auch Flaschenöffnung genannt. Im dargestellten Beispiel ist die hydrophobe Oberfläche 7 sowohl innenseitig an der Flasche ausge bildet als auch im Ausflußbereich und überragt auch noch etwas den oberen Rand der Flasche.

Wird nun die Flüssigkeit in der Flasche, z. B. Wasser, ausgegossen, so löst sich diese leicht von der Oberfläche 7 ab, so dass auch nicht - wie sonst üblich - ein oder mehrere Tropfen beim Zurückschwenken der Flasche in die vertikale Position an der Außenwandung 13 der Flasche herunterlaufen. Auch innenseitig an der Wandung 12 der Flasche anliegende Flüssigkeit kann aufgrund der geringen Ad häsionskraft dort nicht hängenbleiben und sinkt nach unten hin ab, bis die in der Flasche verbleibende Flüssigkeit ihren maximalen Füllstand erreicht hat.

Ist die Flüssigkeit eher schwerflüssig, wie beispielsweise eine Salatsauce oder Ketchup, so sinkt auch diese an der Innenseite aufgrund der ausgebildeten Ober fläche 7 ab, so dass der Betrachter der Flasche den Eindruck hat, als ob diese innenseitig gereinigt sei. Dies verbessert ganz erheblich den ästhetischen Eindruck gerade solcher flüssigkeitsaufnehmenden Behältnisse, wenn diese im Gastronomie bereich eingesetzt werden sollen.

Fig. 4 zeigt als flüssigkeitsaufnehmendes Behältnis den oberen Teil einer Einweg milchverpackung (Milchtüte). Diese Milchverpackung wird zu ihrer Ausbildung gefaltet, wobei das Verpackungsmaterial regelmäßig beschichtetes Papier ist. Im oberen Bereich der Milchtüte weist dieser beispielsweise ein Dach auf, deren obere Kante regelmäßig aufeinanderstoßende Materialschichten aufweist, welche mitein ander verklebbar gefaltet und/oder versiegelt sind.

Im Dachbereich ist eine Fläche 8 mit der hydrophoben Oberfläche 7 ausgebildet. Im dargestellten Beispiel folgt innerhalb dieser Fläche 8 eine Perforierung 11. Diese kann auch unter Umständen nur mit ihrem unteren Teil in die Fläche 8 hineinragen. Diese Perforierung (es kann sich hierbei auch um eine Vorstanzung handeln, ohne das Material an dieser Stelle zu durchbrechen) dient dazu, dass das Dach der Verpackung an dieser Stelle leicht durchbrechen kann und die vorperforierte Fläche nach innen drückt oder nach außen hin wegreißt. Nun kann die in der Verpackung befindliche Milch ausgegossen werden, wobei aufgrund der Ausbildung der Ober fläche 7 im Ausgußbereich der Milchverpackung dort auch dann keine Milch an der Außenseite der Milchverpackung herunterläuft, wenn der Ausgußwinkel sehr gering ist.

Fig. 5 zeigt eine mikroskopisch vergrößerte Aufnahme eines Milchverpackungs kartons im ursprünglichen Zustand (ungestrahlt). Wie zu erkennen, ist die Ober fläche nicht gleichmäßig strukturiert und in weiten Teilen völlig plan.

Fig. 6 zeigt die mikroskopisch vergrößerte Darstellung der Außenseite des Kartons im Ausgußbereich im Zustand nach Erzeugung der erfindungsgemäßen strukturier ten Oberfläche. Wie zu erkennen, ist die Oberflächenstruktur nicht nur äußerst unregelmäßig, sondern durch eine große Anzahl von über die gesamte Fläche verteilte Erhebungen und Vertiefungen gekennzeichnet.

Fig. 7 zeigt eine nochmals mikroskopisch vergrößerte Darstellung der Oberfläche 7 nach Fig. 6. Aus dem unterhalb des Bildes angegebenen Maßstab ist im Ver gleich mit der Bilddarstellung zu erkennen, dass wiederum eine äußerst ungleich mäßig ausgebildete strukturierte Oberfläche gebildet ist, wobei die Abstände zwischen benachbarten Erhebungen deutlich geringer sind als 5 µm.

Die in den Fig. 6 und 7 dargestellten strukturierten Oberflächen wurden durch (Fein-)Strahlen hergestellt. Eine solche Strukturierung der Oberfläche ist jedoch auch durch Gravier- oder Prägestempel möglich oder auch durch ein Anätzen der Oberfläche, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist.

Die erfindungsgemäße Oberfläche kann auch auf der Innenseite eines Gefrier- oder Kühlschrankes bzw. an der Innenwandung eines Gefrier- oder Kühlhauses ausgebil det sein. Damit wird der Eisansatz verhindert, was bislang zu langen Ausfallzeiten von Gefrierschränken, Kühlschränken, Gefrier- oder Kühlhäusern führt.

Bezugszeichenliste

1

Substrat (Grundmaterial)

2

Erhebung

3

Vertiefung

4

konturnachbildende Beschichtung

5

Abstand zwischen zwei Erhebungen

6

Höhe der Erhebung

7

hydrophobe Oberfläche

8

Ausgießbereich

9

(transparentes) Behältnis

10

Milcheinwegverpackung

11

vorperforierter (vorgestanzter) Bereich

12

Behältnisinnenwandung

13

Behältnisaußenwandung

14

Wassertropfen

15

Tangente

16

Horizontale

17

Kontaktwinkel (Benetzungswinkel)

Claims

1. Oberfläche, die eine künstliche Oberflächenstruktur aus Erhebungen und Vertiefungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Erhebungen geringer ist als 5 µm und mindestens die Erhebungen oberseitig aus einem hydrophoben Material bestehen oder außenseitig eine hydrophobe Schicht aufweisen.

2. Oberfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Erhebungen kleiner ist als 5 µm, vor zugsweise kleiner als 2 µm ist.

3. Oberfläche nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf Erhebungen und Vertiefungen eine die Erhebun gen und Vertiefungen nachbildende Schicht aus bevorzugt hydrophobem Material aufgebracht ist, wobei die Dicke der Schicht frei wählbar ist, bevorzugt im Bereich von 0,1 nm bis 300 nm liegt.

4. Oberfläche nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht auf der Oberflächenstruktur nicht geschlossen ist.

5. Oberfläche nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke auf den Erhebungen und Vertiefun gen unterschiedlich ist und die Schichtdicke auf den Erhebungen, zumindest deren exponierten Teilen im Durchschnitt größer ist als die Schichtdicke auf den Ver tiefungen.

6. Oberfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Erhebungen und/oder Vertiefungen ausgebildete Schicht aus einem lebensmittelechten und/oder spülmaschinenfesten Material besteht.

7. Oberfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktwinkel, den ein Wassertropfen, der auf der Oberfläche liegt bildet, größer ist als 120°, bevorzugt größer ist als 140°.

8. Oberfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche im Ausgussbereich eines flüssigkeits aufnehmenden Behältnisses und/oder an der Innenwandung des Behältnisses ausgebildet ist.

9. Verfahren zur Herstellung einer strukturierten, hydrophoben Oberfläche aus Erhebungen und Vertiefungen, wobei der Abstand zwischen den Erhebungen geringer ist als 200 µm, bevorzugt im Bereich zwischen 0,1 µm und 5 µm liegt, wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:

- Erzeugung einer Oberflächenstruktur mittels mechanischer und/oder chemi scher Behandlung einer zuvor wenig oder gar nicht strukturierten Ober fläche, wobei die Oberflächenstruktur nach ihrer Erzeugung Erhebungen und Vertiefungen aufweist und die Erhebungen einen Abstand zueinander ha ben, welcher geringer ist als 200 µm, bevorzugt im Bereich von etwa 0,1 µm bis 5 µm liegt (erster Schritt);
- Aufbringen einer konturnachbildenden Beschichtung auf der zuvor erzeug ten künstlichen Oberflächenstruktur, wobei die Schichtdicke frei wählbar ist, bevorzugt im Bereich von etwa 0,1 nm bis 300 nm liegt (zweiter Schritt).

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Erhebungen geringer ist als 100 µm bevorzugt geringer ist als 5 µm.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die konturnachbildende Beschichtung durch ein Plasmapolymerisationsverfahren (Niederdruck oder Atmosphärendruck) aufgebracht wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Schritt die Oberflächenstruktur mittels (Fein-)Strahlen der Oberfläche mit geeigneten Strahlgut und/oder Prägen mit einem entsprechenden Prägestempel oder Anätzen mittels eines geeigneten Ätzmaterials erzeugt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erzeugung der Oberflächenstruktur mittels (Fein-)Strahlen das Strahlgut ein Korund mit einer Körnung von etwa 0,125 mm bis 0,5 mm, vorzugsweise 0,125 mm bis 0,35 mm ist.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eventuell nach dem ersten Schritt noch in der Oberflächenstruktur verbleibendes Strahlmaterial beseitigt wird, wozu bevorzugt der Einsatz von Druckluft geeignet ist.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die konturnachbildende Beschichtung mittels eines Sol-Gel-Verfahrens und/oder einer Silikonisierung und/oder einer Teflonisierung und/oder anderer Dünnschichtbeschichtungstechnologien aufgebracht wird.

16. Verfahren zur Verbesserung des Ausgießverhaltens von flüssigkeits aufnehmenden Behältnissen durch Ausbildung einer künstlichen Oberflächenstruk tur aus Erhebungen und Vertiefungen im Ausgießbereich des Behältnisses, wobei der Abstand zwischen den Erhebungen geringer ist als 200 µm, vorzugsweise im Bereich von etwa 0,1 µm bis 5 µm liegt.

17. Verwendung von Oberflächen mit einer künstlichen Oberflächen struktur aus Erhebungen und Vertiefungen, wobei der Abstand zwischen den Erhebungen kleiner ist als 200 µm, bevorzugt im Bereich von etwa 0,1 µm bis 5 µm liegt und wenigstens die Erhebungen aus einem hydrophoben Material bestehen und/oder mit einem solchen hydrophoben Material beschichtet sind zur Verbes serung des Ausgießverhaltens von Behältnissen durch Ausbildung der Oberfläche im Ausgussbereich der Behältnisse.

18. Verwendung einer hydrophoben Oberfläche insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zur Definition der Siegelkraft zwischen zwei ver siegelten Materialschichten, beispielsweise zwei übereinander liegenden und versiegelten Materialschichten einer Einwegverpackung.

19. Verwendung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Siegelkraft durch die Schichtstärke der kon turnachbildenden Beschichtung eingestellt wird.

20. Flüssigkeitsaufnehmendes Behältnis, welches im Ausgussbereich mit einer Oberfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche versehen ist.

21. Flüssigkeitsaufnehmendes Behältnis oder Leitung, bestehend aus einer Innen- und Außenwandung, wobei auf der Innenwandung, vollständig oder teilweise, eine Oberfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.

22. Verkehrsmittel, dessen Verkleidung oder andere Teile (z. B. Felgen) vollständig oder teilweise mit einer Oberfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche versehen ist.

23. Verfahren zur Herstellung einer strukturierten, hydrophoben Ober fläche aus Erhebungen und Vertiefungen, wobei der Abstand zwischen den Erhe bungen geringer ist als 2 µm, bevorzugt im Bereich zwischen 0,1 µm und 5 µm liegt, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem Substrat eine hydrophobe Beschichtung aufgebracht wird und dass während der Beschichtung eine Gitterstruktur auf dem Substrat aufgelegt wird, welches nach seiner Entfernung Erhebungen und Ver tiefungen hinterlässt, wobei der Abstand zwischen den Erhebungen geringer ist als 2 µm, bevorzugt im Bereich zwischen 0,1 µm und 5 µm.