DE102018111830B4

DE102018111830B4 - Selbstreinigendes foliensystem

Info

Publication number: DE102018111830B4
Application number: DE102018111830.9A
Authority: DE
Inventors: Gayatri V. Dadheech; Thomas A. Seder; James A. Carpenter
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-05-18
Filing date: 2018-05-16
Publication date: 2023-09-21
Anticipated expiration: 2038-05-17
Also published as: DE102018111830A1; US20200147598A1; CN108953598A; US11179711B2; US10569263B2; US20180333710A1; US20180333711A1; US10556231B2

Abstract

Selbstreinigendes Foliensystem (10), umfassend:ein Substrat (12); undeine auf dem Substrat (12) angeordnete Folie (18) und beinhaltend:eine Monoschicht (34), die aus einem fluorierten Material gebildet ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus fluorierten organischen Verbindungen, fluorierten anorganischen Verbindungen und Kombinationen davon besteht; undeine erste Vielzahl von Bereichen (36), die innerhalb der Monoschicht (34) angeordnet und voneinander beabstandet sind, sodass jeder der ersten Vielzahl von Bereichen (36) an das fluorierte Material angrenzt, von diesem umgeben und nicht abgedeckt ist, worin jeder der ersten Vielzahl von Bereichen (36) ein photokatalytisches Material beinhaltet,ferner umfassend eine zweite Vielzahl von Bereichen, die innerhalb der Monoschicht (34) angeordnet sind, sodass jeder der zweiten Vielzahl von Bereichen (38) an das fluorierte Material angrenzt und von diesem umgeben ist, worin jeder der zweiten Vielzahl von Bereichen Silber umfasst,wobei das Silber als ein Nanopartikel charakterisiert wird und einen durchschnittlichen Durchmesser aufweist, der im Nanometerbereich messbar ist,wobei das Silber in der Folie (18) in einer Menge von 2 Volumenteilen vorhanden ist, basierend auf 100 Volumenteile der Folie (18),wobei die zweite Vielzahl von Bereichen (38) durch das fluorierte Material nicht abgedeckt und in einem Muster innerhalb der Monoschicht (34) angeordnet ist,wobei das Foliensystem (10) eine Härte von mehr als 17,5 GPa und ein Elastizitätsmodul von mehr als 150 GPa aufweist.

Description

EINLEITUNG
Die Offenbarung betrifft ein selbstreinigendes Foliensystem und ein Verfahren zum Bilden des selbstreinigenden Foliensystems.
Vorrichtungen, wie zum Beispiel Anzeigesysteme, sind oft so ausgelegt, dass sie von einem Bediener berührt werden können. Zum Beispiel kann ein Fahrzeug ein Anzeigesystem beinhalten, das einem Bediener Informationen über einen Touchscreen präsentiert. In ähnlicher Weise kann ein Geldautomat oder Kiosk ein Anzeigesystem beinhalten, das durch Berührung aktiviert wird.
Andere Vorrichtungen, wie z. B. Kameras und Brillen, beinhalten im Allgemeinen eine Linsenoberfläche, die während der Verwendung unbeabsichtigt von einem Bediener berührt werden kann. Ferner können andere Vorrichtungen, wie Fahrzeuge, Fenster, Spiegel, Geräte, Mobiliar, Möbel, Mobiltelefone, Fingerabdruckscanner, Sensoren, Kopierer, medizinische Instrumente und Arbeitsplatten, auch eine oder mehrere Oberflächen aufweisen, die von einem Bediener berührt werden können. Daher kann ein Bediener während der Verwendung Fingerabdrücke und/oder Öle auf solche Vorrichtungen und Oberflächen hinterlassen.
DE 10 2016 116 007 A1 beschreibt ein Filmsystem aufweisend ein Substrat und einen an dem Substrat angeordneten Film. Der Film weist eine aus einem Fluorkohlenwasserstoff gebildete Monoschicht und mehrere Bereichen auf, die in der Monoschicht angeordnet sind, so dass jeder der mehreren Bereiche an dem Fluorkohlenwasserstoff anliegt und von diesem umgeben ist.
DE 10 2017102 760 A1 beschreibt ein Verfahren zum Bilden eines selbstreinigenden Filmsystems, dass ein Perfluorcarbon-Siloxanpolymer auf ein Substrat aufgebracht wird, um eine erste Schicht zu bilden.
DE 10 2005 042 181 A1 betrifft Kunststoffe für medizintechnische Geräte. Ferner Formkörper zur Bildung von medizintechnischen Geraten sowie Verfahren zur Herstellung von erfindungsgemäßen Kunststoffen und/oder Formkörpern.
KURZDARSTELLUNG
Aufgabe der Erfindung ist es ein selbsreinigendes Foliensystem bereits zustellen, welches fäulnishemmenden und antibakteriellen Eigenschaften bei hoher Stabilität aufweist. Diese Aufgabe wir gelöst durch den Gegenstand gemäß Anspruch 1.
Ein Foliensystem enthält ein Substrat und eine auf dem Substrat angeordnete Folie. Die Folie beinhaltet eine Monoschicht, die aus einem fluorierten Material gebildet ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus fluorierten organischen Verbindungen, fluorierten anorganischen Verbindungen und Kombinationen davon besteht. Die Folie beinhaltet auch eine erste Vielzahl von Bereichen, die innerhalb der Monoschicht angeordnet und voneinander beabstandet sind, sodass jede der ersten Vielzahl von Bereichen an das fluorierte Material angrenzt, von diesem umgeben ist und von diesem nicht abgedeckt ist. Jede der ersten Vielzahl von Bereichen umfasst ein photokatalytisches Material.
Das selbstreinigende Foliensystem beinhaltet auch eine zweite Vielzahl von Bereichen, die innerhalb der Monoschicht angeordnet sind, sodass jeder der zweiten Vielzahl von Bereichen an das fluorierte Material angrenzt und von diesem umgeben ist, worin jeder der zweiten Vielzahl von Bereichen Silber umfasst, wobei das Silber in der Folie in einer Menge von 2 Volumenteilen vorhanden ist, basierend auf 100 Volumenteile der Folie, wobei die zweite Vielzahl von Bereichen durch das fluorierte Material nicht abgedeckt und in einem Muster innerhalb der Monoschicht angeordnet ist, und wobei das Foliensystem eine Härte von mehr als 17,5 GPa und ein Elastizitätsmodul von mehr als 150 GPa aufweist.
In einem Aspekt kann die Folie eine erste Fläche und eine zweite Fläche aufweisen, die gegenüber der ersten Fläche beabstandet ist und an das Substrat angrenzt. Die erste Fläche kann im Wesentlichen frei von Squalen sein.
In einem Aspekt kann das Substrat eine proximale Fläche aufweisen, die an der zweiten Fläche anliegt, eine distale Fläche, die gegenüber der proximalen Fläche beabstandet ist, eine erste Kante, die die proximale Fläche und die distale Fläche verbindet, und eine zweite Kante, die gegenüber der ersten Kante beabstandet ist. Das selbstreinigende Foliensystem kann ferner eine Lichtquelle beinhalten, die angrenzend an die erste Kante angeordnet und zum Emittieren elektromagnetischer Strahlung konfiguriert ist.
Die elektromagnetische Strahlung kann eine Wellenlänge von 400 nm bis 100 nm aufweisen. In einem anderen Aspekt kann die elektromagnetische Strahlung eine Wellenlänge von 740 nm bis 380 nm aufweisen. Ferner kann die selbstreinigende Folie einen Kontaktwinkel mit Wasser von mehr als 140° definieren.
In einem Aspekt kann das photokatalytische Material Titandioxid sein und kann in der ersten Vielzahl von Bereichen in einer Rutilform vorliegen. In einem anderen Aspekt kann das photokatalytische Material Titandioxid sein und kann in der ersten Vielzahl von Bereichen in einer Anatasform vorliegen. In einem weiteren Aspekt kann das photokatalytische Material Titandioxid sein und kann in der ersten Vielzahl von Bereichen als eine Kombination einer Rutilform und einer Anatasform vorliegen. In einem noch anderen Aspekt kann das photokatalytische Material mit Silber dotiert sein. Das Substrat kann aus Siliziumdioxid ausgebildet sein.
Ein Verfahren zum Ausbilden eines selbstreinigenden Foliensystems beinhaltet das Abscheiden einer Monoschicht, die aus einem fluorierten Material gebildet ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus fluorierten organischen Verbindungen, fluorierten anorganischen Verbindungen und Kombinationen davon besteht, auf ein Substrat. Nach dem Abscheiden beinhaltet das Verfahren das Abtragen der Monoschicht, um eine erste Vielzahl von Hohlräumen darin zu definieren. Jeder der ersten Vielzahl von Hohlräumen ist von einem angrenzenden Hohlraum der ersten Vielzahl von Hohlräumen entlang der Monoschicht beabstandet. Nach dem Abtragen beinhaltet das Verfahren, das Einbetten eines photokatalytischen Materials in jedem der ersten Vielzahl von Hohlräumen, um eine Folie auf dem Substrat auszubilden und dadurch das selbstreinigende Foliensystem auszubilden. Die Folie beinhaltet eine erste Vielzahl von Bereichen einschließlich des photokatalytischen Materials. Die erste Vielzahl von Bereichen ist innerhalb der Monoschicht angeordnet und voneinander beabstandet sind, sodass jede der ersten Vielzahl von Bereichen an das fluorierte Material angrenzt, von diesem umgeben ist und von diesem nicht abgedeckt ist.
In einem Aspekt kann das Verfahren ferner das Abtragen der Monoschicht beinhalten, um darin eine zweite Vielzahl von Hohlräumen zu definieren.
Das Verfahren kann ferner das Bestrahlen der ersten Vielzahl von Bereichen mit elektromagnetischer Strahlung, die eine Wellenlänge von 400 nm bis 100 nm aufweist, beinhalten. In einem anderen Aspekt kann das Verfahren das Bestrahlen der ersten Vielzahl von Bereichen mit elektromethodischer Strahlung, die eine Wellenlänge von 740 bis 380 nm aufweist, beinhalten.
In einem Aspekt kann das Verfahren ferner das Kontaktieren der Folie und Squalen beinhalten. Das Verfahren kann auch das Diffundieren der Squalen entlang der Folie von der Monoschicht zu mindestens einem der ersten Vielzahl von Bereichen beinhalten. Darüber hinaus kann das Verfahren auch das Oxidieren der Squalen beinhalten. Das Verfahren kann ferner auch das Verdampfen der Squalen beinhalten.
Die oben aufgeführten Merkmale und Vorteile, sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsform/en und der besten Art/en zum Ausführen der beschriebenen Offenbarungen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen und angehängten Patentansprüche ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine schematische Veranschaulichung einer Vorderansicht eines selbstreinigenden Foliensystems.
2A ist eine schematische Veranschaulichung einer vergrößerten perspektivischen Ansicht eines Abschnitts des selbstreinigenden Foliensystems aus 1.
2B ist eine schematische Veranschaulichung einer vergrößerten perspektivischen Ansicht eines Abschnitts einer anderen Ausführungsform des selbstreinigenden Foliensystems aus 1.
3 ist eine schematische Veranschaulichung einer Querschnittsansicht des selbstreinigenden Foliensystems aus 1 entlang der Linie 3-3.
4 ist ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Ausbilden des selbstreinigenden Foliensystems aus den 1-3.
5 ist eine schematische Veranschaulichung der Abschnitte des Verfahrens aus 4.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Figuren, in denen sich gleiche Referenznummern auf gleiche Elemente beziehen, ist ein selbstreinigendes Foliensystem 10, allgemein in 1 gezeigt. Das selbstreinigende Foliensystem 10 kann für Anwendungen geeignet sein, bei denen ein Bediener Fingerabdrücke, Öle und/oder andere organische oder kohlenstoffbasierte Verunreinigungen oder Krankheitserreger auf einem Bildschirm, einer Linse, oder Oberfläche hinterlässt. Insbesondere kann das selbstreinigende Foliensystem 10 für Anwendungen nützlich sein, die einen sauberen, im Wesentlichen fingerabdruckfreien Bildschirm, eine Linse oder eine Oberfläche erfordern. Das heißt, das selbstreinigende Foliensystem 10 kann zum Entfernen von Fingerabdrücken und anderen organischen Verunreinigungen von solchen Schirmen, Linsen oder Oberflächen nützlich sein.
Zum Beispiel kann das selbstreinigende Foliensystem 10 für Automobilanwendungen nützlich sein, wie beispielsweise im Armaturenbrett befindliche Navigationssysteme mit einem Touchscreen oder Fahrzeugkameras mit einer Linse. Alternativ kann das selbstreinigende Foliensystem 10 für nicht-automobile Anwendungen, wie z. B.
Unterhaltungselektronik, Mobiltelefone, Brillen, persönliche Schutzausrüstung, Geräte, Möbel, Kioske, Fingerabdruckscanner, medizinische Geräte, Sensoren, Flugzeuge und Industriefahrzeuge, nützlich sein.
Bezugnehmend auf 3 kann das selbstreinigende Foliensystem 10 auf ein Substrat 12 angewendet werden. Das Substrat 12 kann aus einem glasartigen, transparenten Material gebildet sein, das zum Brechen von sichtbarem Licht geeignet ist. So kann beispielsweise in einer Ausführungsform das Substrat 12 aus Siliziumdioxid gebildet sein. In einem anderen Beispiel kann das Substrat 12 aus einem Polycarbonat oder einem anderen Kunststoff gebildet sein. Alternativ, und wie am besten in 2A dargestellt, kann das Substrat 12 aus einer Antireflexionsbeschichtung mit abwechselnden Schichten 14, 16 aus Siliziumdioxid und Titandioxid ausgebildet sein. Das bedeutet, dass das Substrat 12 eine Antireflexionsfolie oder -beschichtung sein kann. Im Allgemeinen kann das Substrat 12 als nicht einschränkende Beispiele als ein Bildschirm eines Anzeigesystems, eine Linse einer Brille oder einer Schutzbrille, ein Visier eines Helms, eine Oberfläche eines Kühlschranks oder eine Vorderseite eines Gehäuses, ein Türpaneel eines Fahrzeugs, ein Touchscreen eines Kiosks oder als eine andere Oberfläche oder ein anderes Gerät konfiguriert sein, das von einem Bediener berührt werden kann.
Das selbstreinigende Foliensystem 10 beinhaltet auch eine Folie 18, die auf dem Substrat 12 angeordnet ist, ist z. B., wie nachfolgend ausführlicher beschrieben, chemisch mit dem Substrat 12 verbunden. Die Folie 18 kann dazu konfiguriert sein, das Substrat 12 vor Fingerabdrücken, Ölen und organischen Verunreinigungen abzudecken und zu schützen. Das bedeutet, dass die Folie 18 dazu konfiguriert sein kann, zu bewirken, dass Fingerabdrücke, Öle und organische Verunreinigungen auf der Folie 18 abgeschieden werden, verschwinden oder verdampfen, sodass für das Anzeigen von scharfen Bildern oder Reflexionen ein sauberes Substrat 12 erhalten bleibt.
Genauer gesagt, wie mit Bezug auf 3 beschrieben, kann die Folie 18 eine erste Oberfläche 20 und eine zweite Oberfläche 22 aufweisen, die gegenüber der ersten Oberfläche 20 beabstandet ist. Die zweite Oberfläche 22 kann am Substrat 12 angrenzen, und die erste Oberfläche 20 kann weitgehend frei von Squalen, organischem Material, und/oder sonstigen Ölen von Fettsäuren sein. Wie hierin verwendet, bezieht sich die Terminologie Squalen auf eine organische Verbindung mit 30 Kohlenstoffatomen, die durch den Namen der Internationalen Union für reine und angewandte Chemie (6E,10E,14E,18E)-2,6,10,15,19,23-Hexamethyltetracosa-2,6,10,14,18,22-hexaen repräsentiert wird. Im Allgemeinen kann Folie 18 als eine dünne Folie charakterisiert werden und kann eine Dicke 24 von beispielsweise 10 µm bis 150 µm aufweisen.
Das Substrat 12 weist auch eine an die zweite Oberfläche 22 angrenzende proximale Oberfläche 26 und eine gegenüber der proximalen Oberfläche 26 beabstandete distale Oberfläche 28 auf. Daher sind das Substrat 12 und die Folie 18 dazu konfiguriert, sichtbares Licht durch die proximale Oberfläche 26, die distale Oberfläche 28, die erste Oberfläche 20 und die zweite Oberfläche 22 zu übertragen. Das Substrat 12 weist auch eine die proximale Oberfläche 26 und die distale Oberfläche 28 verbindende erste Kante 30 und eine gegenüber der ersten Kante 30 beabstandete zweite Kante 32 auf.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf die 2A und 2B beinhaltet die Folie 18 eine Monoschicht 34, die aus einem fluorierten Material ausgebildet ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus fluorierten organischen Verbindungen, fluorierten anorganischen Verbindungen und Kombinationen davon besteht. Die Monoschicht 34 kann einen Großteil der Folie 18 ausbilden und kann als ein Monoschicht-Feld charakterisiert werden. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck Monoschicht auf eine Schicht mit einer Dicke 24 ( 2A) eines Moleküls. Das heißt, die Monoschicht 34 ist ein Molekül dick und kann als eine dünne Schicht charakterisiert werden. In einer Ausführungsform kann das fluorierte Material fluorierter diamantartiger Kohlenstoff sein. In einer anderen Ausführungsform kann das fluorierte Material fluoriertes Zinn-(IV)-Oxid sein. Das fluorierte Material, d. h. fluorierte organische Verbindungen, fluorierte anorganische Verbindungen und Kombinationen davon, verleiht der selbstreinigenden Folie 18 Superhydrophobie, Wasserbeständigkeit und antimikrobielle Eigenschaften, schmutzabweisende Eigenschaften und Kratzfestigkeit. Die Folie 18 kann auch zu einer sauberen Luftqualität einer Umgebung beitragen, in der die Folie 18 verwendet wird.
Wie in 2A und 2B dargestellt, beinhaltet die Folie 18 auch eine erste Vielzahl von Bereichen 36, die innerhalb der Monoschicht 34 angeordnet und voneinander beabstandet sind, sodass jede der ersten Vielzahl von Bereichen 36 an das fluorierte Material angrenzt, von diesem umgeben ist und von diesem nicht abgedeckt ist. Das heißt, die erste Vielzahl von Bereichen 36 kann innerhalb und entlang der Monoschicht 34 angeordnet sein. In einer Ausführungsform kann die erste Vielzahl von Bereichen 36 entlang der ersten Fläche 20 gleichmäßig voneinander beabstandet sein. In anderen Ausführungsformen kann die erste Vielzahl von Bereichen 36 zufällig entlang der Monoschicht 34 entlang der ersten Fläche 20 beabstandet sein. In noch anderen Ausführungsformen kann die erste Vielzahl von Bereichen 36 in einem Muster innerhalb der Monoschicht 34 angeordnet sein. Die erste Vielzahl von Bereichen 36 kann in der Folie 18 in einer Menge von etwa 10 Volumenteilen bis etwa 85 Volumenteilen, basierend auf 100 Volumenteile der Folie 18, z. B. etwa 50 Volumenteile basierend auf 100 Volumenteile der Folie 18, vorhanden sein.
Jede der ersten Vielzahl von Bereichen 36 umfasst ein photokatalytisches Material, wie etwa Titandioxid. Das photokatalytische Material kann die Folie 18 bereitstellen, die sich selbst reinigen kann. Das heißt, das photokatalytische Material kann organisches Material, z. B. Squalen, das auf der ersten Oberfläche 20 der Folie 18 vorhanden ist, oxidieren und/oder verdampfen, wie nachstehend ausführlicher dargelegt wird. Insbesondere kann das photokatalytische Material ein lichtaktivierter Photokatalysator bei Belichtung mit beispielsweise sichtbarem oder ultraviolettem Licht sein.
Geeignete photokatalytische Materialien können beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf, photooxidative Halbleiter, halbleitende Oxide, dotierte Metalloxide, Heteroübergangsmaterialien und Kombinationen davon.
In einer Ausführungsform kann das photokatalytische Material Titandioxid sein und kann in der ersten Vielzahl von Bereichen 36 in einer Rutilform vorliegen. Alternativ kann das photokatalytische Material Titandioxid sein und kann in der ersten Vielzahl von Bereichen 36 in einer Anatasform vorliegen, die eine vergleichsweise höhere photokatalytische Aktivität als die Rutilform aufweisen kann. In anderen Ausführungsformen kann das photokatalytische Material Titandioxid sein und kann in der ersten Vielzahl von Bereichen 36 als eine Kombination der Rutilform und der Anatasform vorliegen. Ferner kann das photokatalytische Material dotiert sein, um ein funktionalisiertes photokatalytisches Material, z. B. funktionalisiertes Titandioxid, zu bilden. Zum Beispiel kann das funktionalisierte photokatalytische Material mit einem Metall, wie etwa Chrom, Kobalt, Wolfram, Kupfer, Vanadium, Eisen, Silber, Platin, Molybdän, Lanthan, Niob und Kombinationen davon, dotiert sein, ist aber nicht darauf beschränkt. Alternativ kann das photokatalytische Material mit einem Nichtmetall dotiert sein, wie, jedoch nicht beschränkt auf, Stickstoff, Schwefel, Kohlenstoff, Bor, Kalium, Iod, Fluor und Kombinationen davon. In einem Beispiel kann das photokatalytische Material mit Silber dotiert sein. Das Dotieren des fotokatalytischen Materials kann eine Reaktion des fotokatalytischen Materials durch solare Einflüsse erhöhen, kann eine vergleichsweise höhere Photonenmenge bereitstellen und kann eine Photoaktivität des fotokatalytischen Materials erhöhen.
Das photokatalytische Material als ein Nanopartikel charakterisiert wird und einen durchschnittlichen Durchmesser aufweist, der im Nanometerbereich messbar ist. Alternativ kann das photokatalytische Material als ein Partikel charakterisiert werden und einen durchschnittlichen Durchmesser aufweisen, der im Mikrometermaßstab gemessen werden kann. Das photokatalytische Material kann eine Dicke von 1 µm bis 10 µm aufweisen. Im Allgemeinen kann das photokatalytische Material in der Folie 18 in einer Menge von etwa 2 Volumenteilen bis etwa 35 Volumenteilen vorhanden sein, basierend auf 100 Volumenteilen der Folie 18.
In anderen nicht-einschränkenden Ausführungsformen kann die erste Vielzahl der Bereiche 36 ein halbleitendes Metalloxid beinhalten, wie, jedoch nicht beschränkt auf, Zinkoxid, Wismutoxid, Zinnoxid und Kombinationen davon. Das Halbleiteroxid kann mit einer entsprechend großen Bandlücke ausgewählt werden, die für eine photokatalytische Reaktion geeignet ist, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, die mit Bezugnahme auf 2B beschrieben ist, beinhaltet die Folie 18 auch eine zweite Vielzahl von Bereichen 38, die innerhalb der Monoschicht 34 angeordnet sind, sodass jeder der zweiten Vielzahl von Bereichen 38 an das fluorierte Material angrenzt und von diesem umgeben ist, worin jeder der zweiten Vielzahl von Bereichen 38 Silber umfasst. Die zweite Vielzahl von Bereichen 38 kann nicht durch das fluorierte Material abgedeckt werden.
Das heißt, die zweite Vielzahl von Bereichen 38 kann auch innerhalb und entlang der Monoschicht 34 angeordnet sein. In erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die zweite Vielzahl von Bereichen 38 in einem Muster innerhalb der Monoschicht 34 angeordnet. Die zweite Vielzahl von Bereichen 38 kann in der Folie 18 in einer Menge von etwa 10 Volumenteilen bis etwa 85 Volumenteilen, basierend auf 100 Volumenteile der Folie 18, z. B. etwa 25 Volumenteile basierend auf 100 Volumenteile der Folie 18, vorhanden sein.
Das Silber wird als ein Nanopartikel charakterisiert und weist einen durchschnittlichen Durchmesser auf, der im Nanometerbereich ist. Das Silber ist in der Folie 18 in einer Menge von 2 Volumenteilen vorhanden, basierend auf 100 Volumenteile der Folie 18. Das Silber kann die Folie 18 mit Schmutzresistenz, antimikrobiellen Eigenschaften und Luftreinigungseigenschaften und Schmutzresistenz versehen. Zum Beispiel kann Silber die zelluläre Mikrobenfunktion stören. Insbesondere kann das Silber zur Phospholipidzersetzung beitragen, sodass eine Mikrobenzellenwand nicht atmen kann.
Unter erneuter Bezugnahme auf 3 definiert die Folie 18 einen Kontaktwinkel 40 mit dem Wasser, der größer als 140° ist. So kann beispielsweise die Folie 18 einen Kontaktwinkel 40 mit Wasser von größer als oder gleich 150° definieren. Somit können Wasser, Öle und Verunreinigungen effektiv auf der ersten Fläche 20 Tropfen formen und sich über diese hinweg bewegen. Anders ausgedrückt, können Wasser, Öle und Verunreinigungen beweglich sein und sich entlang der ersten Oberfläche 20 wirksam bewegen.
Das selbstreinigende Foliensystem 10 kann ferner eine Lichtquelle 42 beinhalten, die angrenzend an die erste Kante 30 angeordnet und zum Emittieren elektromagnetischer Strahlung konfiguriert ist. So kann die Lichtquelle 42 beispielsweise eine Ultraviolettlicht emittierende Diode sein und die elektromagnetische Strahlung kann eine Wellenlänge von 400 nm bis 100 nm aufweisen. Alternativ kann die Lichtquelle 42 eine Glühbirne oder eine sichtbares Licht emittierende Diode sein und die elektromagnetische Strahlung kann eine Wellenlänge von 740 nm bis 380 nm aufweisen.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf die 4 und 5 wird im Allgemeinen ein Verfahren 46 zum Ausbilden des selbstreinigenden Foliensystems 10 veranschaulicht. Das Verfahren 46 beinhaltet das Abscheiden 48 der Monoschicht 34, die aus einem fluorierten Material ausgebildet ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus fluorierten organischen Verbindungen, fluorierten anorganischen Verbindungen und Kombinationen davon auf das Substrat 12 besteht. In einer Ausführungsform kann das Verfahren 46 ferner das Abscheiden 48 der aus Silber ausgebildeten Monoschicht 34 auf das Substrat 12 beinhalten. Als nicht einschränkende Beispiele 48 kann das Abscheiden des Materials chemische Dampfabscheidung (CVD), physikalische Dampfabscheidung (PVD), Atomlagenabscheidung (ALD), Tauchen, Wischen, Aufsprühen, Meniskusbeschichtung, Nassbeschichten, Kombinationen davon und dergleichen beinhalten. Abscheiden 48 kann die Bildung einer selbstausgerichteten Monoschicht 34 beinhalten, die physikalisch adsorbiert wird, d. h., physisorbiert wird, und mit benachbarten Molekülen vernetzt wird. In einem Beispiel kann das Abschneiden 48 Magnetron-Sputter beinhalten, die ein Graphit-Target und ein olytetrafluorethylen-Target beinhalten, d. h., Co-Sputtern. In einem anderen Beispiel kann das Abscheiden 48 reaktive Magnetron-Sputter beinhalten, welche Graphit und Polytetrafluorethylen in einem fluorhaltigen Gas, wie unter anderem auch Difluoroacetylengas, Octafluorocyclobutangas, Tetrafluoromethangas, und Hexafluoropropylenoxidgas, abscheiden, die zu einer Superhydrophobie der Folie 18 beitragen können.
Das bedeutet, dass die Monoschicht 34 auf eine geeignete Weise auf das Substrat 12 abgeschieden werden kann, sodass die Monoschicht 34 sich nicht chemisch oder physikalisch mit dem Substrat 12 verbindet. Für Ausführungsformen, in denen das Substrat 12 aus Siliziumdioxid ausgebildet ist, kann zum Beispiel jedes Molekül aus fluoriertem Material mit angrenzenden Molekülen aus fluoriertem Material vernetzt werden und neue chemische Bindungen können an der proximalen Oberfläche 26 (3) erzeugt werden, während die Monoschicht 34 auf das Substrat 12 abgeschieden wird.
Nach dem Abscheiden 48 kann das Verfahren 46 das Abtragen 50 der Monoschicht 34 beinhalten, um eine erste Vielzahl von Hohlräumen 52 (5) zu definieren, worin jeder der ersten Vielzahl von Hohlräumen 52 von einem angrenzenden Hohlraum der ersten Vielzahl von Hohlräumen 52 entlang der Monoschicht 34 beabstandet ist. In einer anderen Ausführungsform kann das Abtragen 50 der Monoschicht 34 auch eine zweite Vielzahl von Hohlräumen 152 definieren, worin jede der weiten Vielzahl von Hohlräumen 152 von einem angrenzenden Hohlraum der zweiten Vielzahl von Hohlräumen 152 entlang der Monoschicht 34 beabstandet ist. Als nicht einschränkende Beispiele kann das Abtragen 50 das Abtragen durch Laser-, Plasma- und UV-Strahlen und dergleichen beinhalten. Das Abtragen 50 kann mehrere Moleküle der aus fluoriertem Material bestehenden Monoschicht 34 entlang der proximalen Oberfläche 26 entfernen, um die erste Vielzahl von Hohlräumen 52 zu definieren. Auf ähnliche Weise kann das Abtragen 50 mehrere Moleküle der aus fluoriertem Material bestehenden Monoschicht 34 entlang der proximalen Oberfläche 26 entfernen, um die zweite Vielzahl von Hohlräumen 152 zu definieren. Im Allgemeinen kann die erste Vielzahl von Hohlräumen 52 sich von der ersten Oberfläche 20 (2A) der Folie 18 zur zweiten Oberfläche 22 (2A) der Folie 18 erstrecken. Auf ähnliche Weise kann die zweite Vielzahl von Hohlräumen 152 sich von der ersten Oberfläche 20 der Folie 18 zur zweiten Oberfläche 22 der Folie 18 erstrecken.
Nach dem Abtragen 50 kann das Verfahren 46 das Einbetten 54 des photokatalytischen Materials in jeden der ersten Vielzahl von Hohlräumen 52 beinhalten, um die Folie 18 auf dem Substrat 12 auszubilden und dadurch das selbstreinigende Foliensystem 10 auszubilden. Daher beinhaltet die Folie 18 die erste Vielzahl von Bereichen 36 (2A) einschließlich des photokatalytischen Materials. Die erste Vielzahl von Bereichen 36 ist innerhalb der Monoschicht 34 angeordnet und voneinander beabstandet sind, sodass jede der ersten Vielzahl von Bereichen 36 an das fluorierte Material angrenzt, von diesem umgeben ist und von diesem nicht abgedeckt ist. Auf ähnliche Weise kann das Verfahren 46 das Einbetten 54 von Silber in jede der zweiten Vielzahl von Hohlräumen 152 beinhalten, um die Folie 18 auf dem Substrat 12 auszubilden. Daher beinhaltet die Folie 18 die zweite Vielzahl von Bereichen 38 (2B) einschließlich Silber und ist innerhalb der Monoschicht 34 angeordnet, sodass jede der zweiten Vielzahl von Bereichen 38 am Silber anliegt und davon umgeben ist. Die zweite Vielzahl von Bereichen 38 ist nicht durch das fluorierte Material abgedeckt.
Das Einbetten 54 kann das Implantieren oder Anordnen des photokatalytischen Materials in die Monoschicht 34 beinhalten, sodass das photokatalytische Material Säulen innerhalb der ersten Vielzahl von Bereichen 36 ausbildet. Zum Beispiel kann das Einbetten 54 das Abdecken von Abschnitten der Monoschicht 34 mit einer Maske 57 (5) beinhalten, sodass das photokatalytische Material ausschließlich in der ersten Vielzahl von Hohlräumen 52 eingebettet ist, und nicht über der Monoschicht 34 abgeschieden wird. Geeignete Verfahren zum Einbetten 54 des photokatalytischen Materials in die erste Vielzahl von Hohlräumen 52, um die erste Vielzahl von Bereichen 36 auszubilden, die von der Monoschicht 34 umgeben sind, beinhalten den unter anderem auch Ionenstrahlabscheidung, Atomlagenabscheidung, chemische Dampfabscheidung, physikalische Gasphasenabscheidung, elektrophoretische Abscheidung, Sputtern, Co-Sputtern, Ionenimplantation, Verdampfung, Co-Verdampfung und gepulste Laserabscheidung.
Das Einbetten 154 kann auch Implantieren oder Anordnen von Silber in die Monoschicht 34 beinhalten, sodass das Silber Säulen innerhalb der zweiten Vielzahl von Bereichen 38 ausbildet. Zum Beispiel kann das Einbetten 154 das Abdecken von Abschnitten der Monoschicht 34 mit der Maske 57 (5) beinhalten, sodass ausschließlich das Silber in die zweite Vielzahl von Hohlräumen 152 eingebettet ist und nicht über der Monoschicht 34 abgeschieden wird. Geeignete Verfahren zum Einbetten 54 von Silber in die erste Vielzahl von Hohlräumen 52, um die zweite Vielzahl von Bereichen 38 auszubilden, die von der Monoschicht 34 umgeben sind, beinhalten den unter anderem auch Ionenstrahlabscheidung, Atomlagenabscheidung, chemische Dampfabscheidung, physikalische Gasphasenabscheidung, elektrophoretische Abscheidung, Sputtern, Co-Sputtern, Ionenimplantation, Verdampfung, Co-Verdampfung und gepulste Laserabscheidung.
In einer anderen Ausführungsform beinhaltet das Verfahren 46, obwohl dies nicht gezeigt wird, gleichzeitig die Chemisorption des fluorierten Materials und des funktionalisierten photokatalytischen Materials auf dem Substrat 12, um die Folie 18, die chemisch an das Substrat 12 gebunden ist, auszubilden, und um somit das selbstreinigende Foliensystem 10 auszubilden. Die Folie 18 beinhaltet somit die Monoschicht 34, die aus dem fluoriertem Material ausgebildet ist, und die erste Vielzahl von Bereichen 36, die jeweils aus funktionalisiertem photokatalytischem Material ausgebildet sind und jeweils innerhalb der Monoschicht 34 angeordnet sind und voneinander beabstandet sind, dass jede der ersten Vielzahl von Bereichen 36 an das fluorierte Material angrenzt, von diesem umgeben ist und von diesem nicht abgedeckt ist. Das bedeutet, dass das fluorierte Material das funktionalisierte photokatalytische Material auf das Substrat 12 abgeschieden werden kann, gleichzeitig auf dem Substrat 12 absorbiert werden kann und chemisch an das Substrat 12 gebunden werden kann. Die proximale Oberfläche 26 des Substrats 12 kann gleichzeitig mit dem fluorierten Material und dem funktionalisierten photokatalytischen Material chemisch reagieren, um die Folie 18 auszubilden.
Nach dem Einbetten 54 oder der gleichzeitigen Chemisorption beinhaltet die Folie 18 die erste Vielzahl von Bereichen 36, die aus dem photokatalytischen Material ausgebildet und voneinander entlang der ersten Oberfläche 20 (3) beabstandet sind. Derartige Bereiche 36 können zum Entfernen von Fingerabdrücken von der Folie 18 nützlich sein, sodass die Folie 18 selbstreinigende Eigenschaften aufweist. In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform beinhaltet die Folie 18 die zweite Vielzahl von Bereichen 38 (2B), die aus Silber ausgebildet und entlang der ersten Oberfläche 20 voneinander beabstandet sind. Solche zweiten Bereiche 38 können zum Verbessern der fäulnishemmenden und antibakteriellen Eigenschaften der Folie 18 nützlich sein und können das Entfernen von Gerüchen aus einer Umgebung unterstützen.
Genauer gesagt, kann das Verfahren 46 unter erneuter Bezugnahme auf 4 und 5, ferner das Bestrahlen 56 der ersten Vielzahl von Bereichen 36 mit elektromagnetischer Strahlung, die eine Wellenlänge von 400 nm bis 100 nm aufweist, d. h. Bestrahlen 56 der ersten Vielzahl von Bereichen 36 mit ultravioletten Licht, beinhalten. Alternativ kann das Verfahren 46 ferner das Bestrahlen 56 der ersten Vielzahl von Bereichen 36 mit elektromagnetischer Strahlung, die eine Wellenlänge von 740 nm bis 380 nm aufweist, d. h. Bestrahlen 56 der ersten Vielzahl von Bereichen 36 mit sichtbarem Licht, beinhalten. Das bedeutet, dass die Lichtquelle 42 (3) ausgewählt werden kann, um elektromagnetische Strahlung, die eine auf eine Bandlücke des fotokatalytischen Materials eingestellte Wellenlänge aufweist, zu emittieren, um eine Photokatalyse der als ein Fingerabdruck abgeschiedenen Squalen, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben, in Gang zu setzen. Wie hierin verwendet, betrifft die Terminologie-Bandlücke eine Differenz in Energie zwischen dem höchstzulässigen Energieniveau für ein Elektron in einem Valenzband des photokatalytischen Materials und dem niedrigstzulässigen Energieniveau in einem Leitungsband des photokatalytischen Materials. Mit anderen Worten betrifft die Bandlücke die minimale Lichtmenge, die erforderlich ist, um das photokatalytische Material elektrisch leitend zu machen.
Das Verfahren 46 kann ferner das Kontaktieren 58 der Folie 18 und der Squalen beinhalten. Das bedeutet, dass das Kontaktieren 58 das Berühren der Folie 18 auf eine Weise beinhaltet, in der ein Bediener Fingerabdrücke, Squalen, organisches Material, und/oder Öle auf die erste Oberfläche 20 (3) abscheidet. Öle können Öle von Fettsäuren einschließen und können auf natürliche Weise synthetisiert und auf die Folie 18 aufgebracht werden, wenn der Bediener die Folie 18 berührt, oder sie können künstlich auf die Folie 18 aufgebracht werden, beispielsweise durch Sprühen oder Beschichten. Der Kontakt zwischen den Squalen und dem photokatalytischen Material, der der von der Lichtquelle 42 emittierten elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt ist, kann eine photokatalytische Reaktion in Gang setzen. Genauer gesagt, kann das photokatalytische Material ein Photokatalysator, wie Titandioxid oder mit Silber dotiertes Titandioxid, sein. Die photokatalytische Reaktion kann ein starkes Oxidationsmittel erzeugen und das organische Material, z. B. Squalen, in Gegenwart des Photokatalysators, d. h. des photokatalytischen Materials, zu Kohlenwasserstoff und Wasser, elektromagnetische Strahlung, d. h. ultraviolettes Licht, und Wasser, d. h. Feuchtigkeit von Umgebungsbedingungen, aufspalten. Somit kann das photokatalytische Material nicht durch die katalytische Reaktion verbraucht werden, sondern kann stattdessen lediglich die photokatalytische Reaktion als ein Nicht-Reaktant beschleunigen.
Genauer gesagt, wenn elektromagnetische Strahlung einer gewünschten Wellenlänge das photokatalytische Material beleuchtet, z. B. Titandioxid, mit Silber dotiertes Titandioxid, oder eine Mischung aus Titandioxid-Nanopartikeln und Nanopartikeln aus Silber, kann ein Elektron vom Valenzband des photokatalytischen Materials in das Leitungsband des photokatalytisch aktiven Material gefördert werden, wodurch wiederum ein Loch im Valenzband und ein Überschuss von negativer Ladung oder Elektronen im Leitungsband erzeugt werden können. Das Loch kann die Oxidation unterstützen und das Elektron kann die Reduktion unterstützen. Im Allgemeinen kann das Loch sich mit Wasser kombinieren und ein Hydroxylradikal (·OH) bilden. Das Loch kann auch unmittelbar mit Squalen oder anderem organischen Material reagieren, um den gesamten Wirkungsgrad der Selbstreinigung der Folie 18 zu erhöhen. Ähnlich kann Sauerstoff in der Umgebung des photokatalytisch aktiven Materials durch das Elektron reduziert werden, um ein Superoxidion (·O2-) auszubilden, das wiederum das auf der Folie 18 vorhandene organische Material oxidieren kann. Daher kann das Verfahren 46 Oxidieren 60 der Squalen beinhalten. Für Ausführungsformen einschließlich Silber kann das Hydroxylradikal auch einen Phospholipid-Abschnitt einer Mikrobenzellwand und einer Zytoplasmawand derart versetzen, dass die Mikrobe aufgrund fehlender Atmung stirbt, weswegen das auf der Folie 18 vorliegende organische Material zersetzt werden kann und dies zu den fäulnishemmenden und antibakteriellen Eigenschaften der Folie 18 beitragen kann.
Zusätzlich kann das Loch vor der Rekombination mit dem Elektron eingeschlossen werden. Für diese Situationen kann das photokatalytische Material funktionalisiert werden. Zum Beispiel kann das Verfahren Dotieren von Titandioxid mit beispielsweise Palladium oder Ruthenium beinhalten. Palladium und Ruthenium können kann als Elektrokatalysator agieren und eine Übertragung von Elektronen zu Sauerstoffmolekülen erhöhen, was wiederum das Auftreten der Rekombination von Elektronen und Löcher verringern kann.
Ferner kann das auf der Folie 18 an der Monoschicht 34 vorliegende organische Material im Vergleich zum direkten Kontakt mit der ersten Vielzahl von Bereichen 36 sich in einem dynamischen Gleichgewicht mit der ersten Oberfläche 20 (3) befinden und in Richtung einer Stelle auf der Folie 18, d. h. der ersten Vielzahl von Bereichen 36, mit vergleichsweise höherer Energie diffundieren. Daher kann das Verfahren 46 auch das Diffundieren 62 der Squalen entlang der Folie 18 von der Monoschicht 34 zu mindestens einer ersten Vielzahl von Bereichen 36 beinhalten. Um eine solche Diffusion zu verbessern, kann die Lichtquelle 42 abgestimmt sein, um elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge zu emittieren, die auf eine Vibrationsresonanz der Squalen und des fluorierten Materials abgestimmt ist. Eine derartige Abstimmung kann die Squalen oder den Fingerabdruck in die Lage versetzen, entlang der Monoschicht 34 zur ersten Vielzahl von Bereichen 36 zu wackeln oder sich dorthin zu bewegen, wo die Squalen die oben beschriebene photokatalytische Reaktion eingehen können. Alternativ oder zusätzlich kann die Folie 18 auch erhitzt werden, zum Beispiel durch Infrarotbestrahlung, um die Diffusion entlang der Monoschicht 34 in Richtung der ersten Vielzahl von Bereichen 36 zu verbessern.
Als solches kann das Verfahren 46 ferner das Verdampfen 64 der Squalen beinhalten. Genauer gesagt, sobald die Squalen das photokatalytische Material an der ersten Vielzahl von Bereichen 36 kontaktieren, können die Squalen mit einem niedrigen Dampfdruck in vergleichsweise kleine Stücke oder Teile photolysiert werden, die von der Folie 18 verdampfen und dadurch den Fingerabdruck oder die Squalen von der Folie 18 entfernen können. Daher kann das selbstreinigende Foliensystem 10 als selbstreinigend charakterisiert werden. Das bedeutet, dass die Folie 18 das Substrat 12 durch Entfernen, z. B. Oxidieren 60 und Verdampfen 64, der Fingerabdrücke, Squalen, Öle und/oder organischen Materialien, die durch die Berührung eines Bedieners abgeschieden werden, schützen kann. Folglich kann das selbstreinigende Foliensystem 10 und Verfahren 46 die Ästhetik, Sauberkeit und Ablesbarkeit von Displaysystemen, Linsen, Sensoren und Oberflächen verbessern. Insbesondere kann die Folie 18 vergleichsweise dünn, extrem hydrophob, transparent, kratzfest, langlebig, robust und eine harte Beschichtung sein, d. h. sie weist eine Härte von mehr als 17,5 GPa und ein Elastizitätsmodul von mehr als 150 GPa auf.
Während die besten Arten der Ausführung der Offenbarung ausführlich beschrieben wurden, werden die mit der hier beschriebenen Technik vertrauten Fachleute diverse alternative Ausgestaltungen und Ausführungen erkennen, mit denen die Offenbarung im Rahmen der nachfolgend aufgeführten Patentansprüche ausgeführt werden kann.

Claims

Selbstreinigendes Foliensystem (10), umfassend: ein Substrat (12); und eine auf dem Substrat (12) angeordnete Folie (18) und beinhaltend: eine Monoschicht (34), die aus einem fluorierten Material gebildet ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus fluorierten organischen Verbindungen, fluorierten anorganischen Verbindungen und Kombinationen davon besteht; und eine erste Vielzahl von Bereichen (36), die innerhalb der Monoschicht (34) angeordnet und voneinander beabstandet sind, sodass jeder der ersten Vielzahl von Bereichen (36) an das fluorierte Material angrenzt, von diesem umgeben und nicht abgedeckt ist, worin jeder der ersten Vielzahl von Bereichen (36) ein photokatalytisches Material beinhaltet, ferner umfassend eine zweite Vielzahl von Bereichen, die innerhalb der Monoschicht (34) angeordnet sind, sodass jeder der zweiten Vielzahl von Bereichen (38) an das fluorierte Material angrenzt und von diesem umgeben ist, worin jeder der zweiten Vielzahl von Bereichen Silber umfasst, wobei das Silber als ein Nanopartikel charakterisiert wird und einen durchschnittlichen Durchmesser aufweist, der im Nanometerbereich messbar ist, wobei das Silber in der Folie (18) in einer Menge von 2 Volumenteilen vorhanden ist, basierend auf 100 Volumenteile der Folie (18), wobei die zweite Vielzahl von Bereichen (38) durch das fluorierte Material nicht abgedeckt und in einem Muster innerhalb der Monoschicht (34) angeordnet ist, wobei das Foliensystem (10) eine Härte von mehr als 17,5 GPa und ein Elastizitätsmodul von mehr als 150 GPa aufweist.
Selbstreinigendes Foliensystem (10) nach Anspruch 1, worin das photokatalytische Material Titandioxid ist und in der ersten Vielzahl von Bereichen (36) in einer Anatasform vorliegt.
Selbstreinigendes Foliensystem (10) nach Anspruch 1, worin das photokatalytische Material mit Silber dotiert ist.