DE102013020616A1

DE102013020616A1 - Bauteile mit Kontaktwinkelverteilungen, deren Herstellung und deren Anwendungen

Info

Publication number: DE102013020616A1
Application number: DE102013020616.2A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Du Keming Dr De
Priority date: 2013-12-15
Filing date: 2013-12-15
Publication date: 2015-06-18

Abstract

Die Kernidee dieser vorliegenden Anmeldung besteht darin, dass zur Verteilung und/oder zum Transport von Flüssigkeit ein Bauteil verwendet wird, dessen Oberfläche oder dessen Volumen mindestens in zwei Zonen aufgeteilt wird, wobei die Zonen so geschaffen werden, dass sie unterschiedliche Kontaktwinkel aufweisen.

Description

Das Verhalten von Flüssigkeiten an einem Festkörper wie z. B. die Benetzbarbkeit hängt von der Wechselwirkung zwischen den Stoffen an der Kontaktfläche ab. Je stärker diese Wechselwirkung ist, desto höher wird die Benetzbarkeit. Eine wichtige Kenngröße für die Benetzbarkeit ist der Kontaktwinkel. Wie in dargestellt ist, wird der Winkel θ als Kontakwinkel (auch Rand- oder Benetzungswinkel) bezeichnet, den ein Flüssigkeitstropfen (11) auf der Oberfläche eines Feststoffs (96, 97, 98) zu dieser Oberfläche bildet. Umgeben wird der Flüssigkeitstropfen durch ein gasförmiges Medium (33). Im Fall von Wasser als Flüssigkeit spricht man von hydrophil, wenn der Kontaktwinkel deutlich kleiner als 90° ist, von hydrophob wenn der Kontaktwinkel größer als 90° (vgl. ) ist oder von superhydrophob wenn der Kontaktwinkel im Bereich 150° (vgl. ) liegt.
Die Wechselwirkung zwischen den Stoffen an der Kontaktfläche und so der Kontaktwinkel hängen von den Eigenschaften der Stoffe wie z. B. deren chemische Zusammensetzung und Viskosität, der Oberflächenbeschaffenheit des Feststoffs sowie seiner Mikro- und Nanostruktur ab. So kann der Kontaktwinkel durch Beschichtungen mittels chemischer oder plasmatechnischer Verafhren etc.. und/oder durch Mikro- und Nanostruktuierung mitttels Laserverfahrens eingestellt werden.
Zum Transport und/oder zur Verteilung von Flüssigkeit ist der Kontaktwinkel von zentraler Bedeutung.
Die Kernidee dieser vorliegenden Anmeldung besteht darin, dass zur Verteilung und/oder zum Transport von Flüssigkeit ein Bauteil verwendet wird, dessen Oberfläche oder dessen Volumen mindestens in zwei Zonen aufgeteilt wird, wobei die Zonen so geschaffen werden, dass sie unterschiedliche Kontaktwinkel aufweisen.
Im Folgenden wird Wasser als die Flüssigkeit betrachtet. Die Erläuterungen behalten ihrer Gültigkeit für alle andere Flüssigkeit.
zeigt eine examplarische Ausführung des Bauteils gemäß dieser vorliegenden Anmeldung. Die Oberfläche des Bauteils (99) weist zwei Zonen (87) und (86) mit unterschiedlichen Kontaktwnkeln auf. In der Zone links (87) ist der Kontaktwinkel größer als 90° und deshalb ist diese Zone hydrophob, während in der rechten Zone (86) der Kontaktwinkel kleiner als 10° ist und deshalb hydrophil.
Bei Bedarf können Zonen mit unterschiedlichen Größen geschaffen werden. Die Zonen unterschiedlicher Kontaktwinkel können so angeordnet, dass eine hydrophile Zone mit kleinen Kontaktwinkel mindestens eine hydrophobische Zone mit großem Kontaktwinkel als Nachbarzone hat.
Befindet sich ein Wassertropfen auf der Grenz zweier Zonen unterschiedlicher Kontaktwinkel, so wird der Tropfen sich zu der Zone mit dem kleineren Kontaktwinkel bewegen.
zeigt eine Momentaufnahme, wenn ein Wasertropfen auf die Grenze zwischen einer hydrophoben Zone und einer hydrophilen Zone trifft. Aufgrund der durch unterschiedliche Oberflächenspannungen bedingten unterschiedlichen Kontaktwinkel erfährt der Tropfen eine Kraft (41), die von der Zone mit einem größeren Kontaktwinkel zur Zone mit einem kleineren Kontaktwinkel zeigt. Dadurch bewegt sich der Tropfen von der hydrophoben zu der hydrophilen Zone. Wenn die hydrophile Zone groß genug ist, wird das Wasser zum Ende von der hydrophilen gezogen und dort verteilt.
zeigt einen Bauteil mit einer Oberfläche, die 3 Zonen mit unterschiedlichen Kontaktwinkeln aufweist, wobei der Kontaktwinkel von links nach rechts stufenweise abnimmt. Wird in diesem Fall ein Wassertropfen auf der linken Seite falles gelassen, so wird er von dort nach rechts rollen.
zeigt einen Bauteil mit einer Oberfläche, die Zonen mit infinitesimalen Abmessungen aufweisen und der Kontaktwinkel eine Funktion von Position ist. Bei der gezeigten Ausführung ist der Kontaktwinkel eine monoton fallende Funktion von links nach rechts. Wie in gezeigt Fall, wird ein Wassertropen von links nach rechts rollen.
Im allgeinen kann die Funktion jenach Bedarf gwählt werden. Sie kann kontinuierlich, aber auch diskoniuierlich oder periodisch oder eine Kombination von allen sein. Zwei Beispiele zeigen die und . Bei handelt es sich um periodische Funktion des Kontaktwinkels. Die zeigt eine Funktion des Kontaktwinkels, deren Wert periodisch ist mit einer von links nach rechts fallenden Tendenz.
Eine bevorzugte Ausführung für den Flüssigkeitstransport zeigt . Dort weist die Oberfläche des Bauteils zwei Zonenbereiche auf. In dem ersten Zonenbereich nimmt der Kontaktwinkel von links nach rechts ab. In dem zweiten Zonenbereich ist der Kontakwinkel konstant. Wenn ein Flüssigkeitstropf auf der linken Seite des ersten Zonenbereiches fällt, wird er nach rechts beschleunigt. Am Ende des ersten Zonenbereiches erreicht der Flüssigskeitstropfen eine vordefinierte Geschwindigkeit, mit der er im zweiten Zonenbereich weiterrollt.
Wenn das Bauteil wie zeigt schräg gestellt wird, so kann der Flüssigkeitstropfen passiv zu einer höheren Stelle gefördert werden. Damit wird die Energie von Oberflächenspannung in Potentialenergie umgewandelt. Bildlich kann man sagen, dass die Flüssigkeit von einer tieferen Stelle zu einer höheren Stelle flißet und somit die Gravitation ohne Zufuhr von Energie überwindet. Eine weitere Situation ergibt sich wenn das Bauteil lang genug ist. Da wird der Flüssigkeitstropfen nach Erreichen einer max Höhe, die durch die Strecke (72) und der Winkel Oberfläche zur Horizontalen gegeben ist wieder zurückrollen. (79) stellt den Wendepunkt des Flüssigkeitstropfens dar. Durch die Bestimmung der max. Höhe könnte die Oberflächenspannung des Flüssigkeitstropfens vermessen werden, um damit z. B. die Viskosität zu ermitteln.
Eine parallele Anordung zeigt . Hierbei wird die Entfernung (71) von der rechten Kante des Bauteils zum Auftreffpunkt (77) zur Bestimung der Oberfächenspannung gemessen.
Die Oberflächenspannung ist abhängig von den Abmessungen des Flüssigkeitstropfens. Je kleiner die Abmessungen sidn, desto größer ist die Oberfächenspannung und umso größer die mit Oberfächen verbundene Energie. Damit werden kleine Flüssigkeitstropfen schneller und weiter transportiert. Damit kann man die Flüssigkeitströpfe nach Größe sortieren. Im Umkehrschluss können die Abmessung des Flüssigkeitstropfs durch Vermessung der Geschwindigkeit oder die Höhe und/oder der Entfernung bestimmt werden.
Desweiteren hängt die Oberflächenspannung von Materialeigenschaften wie der Viskosität ab. Damit hängt die erreichbare Geschwindigkeit und Entfernung von den Flüssigkeiten selbst ab. Damit können Flüssigkeitstropfen nach ihrer Zusammensetzung sortiert werden. Desweiteren können im Umkehrschluss die Materialeigenschaften von Flüssigkeit wie Viskosität durch Vermessung der Geschwindigkeit und/oder der Entfernung bestimmt werden.
Darüber hinaus hängt die Oberflächenspannung vom Umgebungsgas (33) ab. Durch Vermessung der Geschwindigkeit oder der Höhe und/oder der Entfernung der Flüssigkeitstropfen kann die spezifische Eigenschaft des Umgebungsgases bestimmt werden.
Das Bauteil mit einer definierten Kontaktwinkelverteilung kann eine dünne Folie oder eine Platte sein. Solche dünne Folien können zu einem Röhrchen aufrollt werden. Das Röhrchen kann zum Transport von Flüssigkeit oder zur Messzwecken verwendet werden.
Ein weitere Ausführung des Bauteils entsteht, wenn zwei oder mehr als zwei derartiger Folien oder/und Platten auf einander gestapelt. Solche Kanäle können z. B. zum Transport von Flüssigkeit verwendet werden.
Der Kontaktwinkel hängt von den Eigenschaften von Stoffen wie chemische Zusammensetzung und Viskosität, von der Oberflächenbeschaffenheit des Feststoffs sowie seiner Mikro- und Nanostruktur ab. So kann der Kontaktwinkel durch Beschichtung wie mittels chemischen oder plasmatechnischen Verfahrens usw. und/oder durch Mikro- und Nanostruktuierung eingestellt werden.
Mit Laserverfahren können Mikro- und Nanostrukture an Bauteiloberflächen erzeugt werden. Durch die Laserparameter wie Pulslänge, Pulsenergie, Pulsfrequenz und Fokusgröße können die Mikro- und Nanostrukturen definiert und damit der Kontaktwinkel beeinflußt werden. Die Prozessparameter wie das Prozessgas, der Scanner-Speed, die Anzahl von Überfahrten (beim Mehrfachscanning) und der Überlappung sind weitere Parameter zur Regulierung des Kontaktwinkels.
Für Laserverfahren werden vorzugsweise ps-Laser oder fs-Laser oder deren Kombination verwendet.
Zur Hochgeschwindigkeitsbearbeitung können Folien auf einem schnell rotierenden Zylinder aufgespannt werden. Damit der Laserstrahl schnell über die Oberflächen gescannt werden.
Auch Plasmaverfahren wie Plasmabeschichtung oder chemische Verfahren können den Kontaktwinkel beeinflussen werden. Eine Kombination des Laserverfahrens und des Plasmaverfahrens oder des chemische Verfahrens kann ein günstiges Verfahren zur Generierung von Zonen unterschiedlicher Kontaktwinkel darstellen.
Technisch bedingt ist es nicht einfach, den Kontaktwinkel mit kleinen Stufen oder gar als kontinuierliche Funktion abzubilden. Hierbei kann es vorteilhaft sein, dass die Verteilung des Kontaktwinkel auf einer binären Weise anzunähern. Eine derartige Ausführung zeigt die . Dabei symbolisieren die Stufen (62) und (63) auf einfache Weise realisierbare Kontaktwinkel. Durch die Einstellung der Zonenabmessung (eine Art der Breitemodulation) kann eine effektive Verteilung des Kontaktwinkels erzielt werden. Wie die gestrichelte Kurve (61) zeigt, ist in der gezeigten Ausführung der effektiven Kontaktwinkel eine fallende Funktion von der Position.
Das Bauteil kann aus Hartmaterial bestehen. Es kann als Werkzeug verwendet werden, um Bauteile mit verteilten Kontaktwinkeln durch Prägen zu multiplizieren.
Solche Bauteile können zur Verteilung, Dosierung von Flüssigkeit oder zum Transport von Flüssigkeiten von einer Stelle zur anderen verwendet werden.
Solche Bauteile können auch zur Bestimmung der Viskosität oder der Oberflächenspannung einer Flüssigkeit verwendet werden.
Solche Bauteile können zur Erzeugung von Flüssigkeitstropfen gleichmäßiger Größe verwendet werden.
Bauteile mit Hohlraum und mit Zonen unterschiedlicher Kontaktwinkel können in Brennstoffzellen zu Abstransport von Wasser verwendet werden.

Claims

Bauteil, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil seiner Oberflächen oder seines Volumen in Zonen aufgeteilt wird, wobei die Zonen so geschaffen werden, dass der Kontaktwinkel von Zone zu Zone unterschiedlich ist.
Bauteil nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zonen so zueinander angeordnet werden, dass der Kontaktwinkel von Zone zu Zone stufenweise kleiner oder größer wird.
Bauteil nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zonen mit unterschiedlichen Kontaktwinkeln periodisch angeordnet werden.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zonen infinitesimal sind.
Bauteil nach dem Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktwinkel eine kontinuierliche Funktion von der Lage der Zone ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauteil eine dünne Folie oder eine Platte ist, wobei mindestens eine ihrer Oberflächen Zonen mit unterschiedlichen Kontaktwinkeln vorgesehen wird.
Bauteil nach dem Anspruch 6, dadurch gekennzeichtnet, dass die dünne Folien zu einem Röhrchen aufrollt wird, wobei mindestens die Innerfläche des Röhrchens Zonen hat, die unterschiedliche Kontaktwinkel aufweisen.
Bauteil nach dem Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei derartiger Folien oder/und Platten auf einander gestapelt werden und damit einen Hohlraum gebildet wird, der zwei Grenzflächen mit Zonen unterschiedlicher Kontaktwinkel aufweist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zonen unterschiedlicher Kontaktwinkel mittels Laserverfahren erzeugt werden.
Bauteil nach dem Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Kontaktwinkel in verschiedenen Zonen durch Prozessparameter wie die Anzahl von Überfahrt, der Überlapp und der Abstand des Fokusspots und/oder durch die Laserparameter wie die Pulswiederholrate, die Pulsenergie, Pulslänge und die Größe des Fokusspots eingestellt werden.
Bauteil nach dem der Anspruch 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser ein ps-Laser oder fs-Laser oder deren Kombination oder ein Laser mit variablen Pulslänge ist.
Bauteil nach einem der Ansprüch 8 bis 14, dadurch gekennzeichtnet, dass die Folien auf die Innenfläche oder Außenmantelfläche eines Zylinders für eine Hochgeschwidigkeitsbearbeitung aufgespannt und bearbeitet wird.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktwinkel mittels Plasmaverfahren eingestellt wird.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktwinkel mittels chemisches Verfahren eingegestellt werden.
Bauteil nach dem Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Kontaktwinkel durch verschiedene Plasmawirkzeit oder chemische Reaktionszeit definiert werden.
Bauteil nach dem Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass während des Plasmaverfahrens oder chemischen Verfahrens und/oder nach dem Plasmaverfahren oder chemischem Verfahren ein Laserstrahl zur lokalen Einstellung des Kontaktwinkel verwendet wird.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauteil aus Hartmaterial besteht, mit dem sekundäre Bauteile mit Zonen unterschiedlicher Kontaktwinkel durch Prägen vervielfacht werden.
Verwendung der Bauteile, die nach einem der Ansprüche 1 bis 17, zum Transport von Flüssigkeit in einer Brennstoffzelle von einer Stelle zu anderer Stelle oder zur Dosierung von Flüssigkeit oder zur Verteilung von Flüssigkeit oder zur Bestimming der Viskosität und der Oberflächenspannung von Flüssigkeit oder zur Erzeugung Flüssigkeitstropfen gleichmäßiger Größe.