ES2725999A1 - Cuerpo de polimero termoplastico con una estructura superficial, proceso para su fabricacion, y aparato domestico que comprende el cuerpo de polimero termoplastico - Google Patents

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Abstract

Estructura, proceso para su fabricación, y aparato doméstico que comprende el cuerpo de polímero termoplástico. La presente invención hace referencia a un cuerpo de polímero termoplástico 14 con una estructura superficial 1 que contiene en una superficie lisa 2 un patrón regular 3 de pilares a microescala o de menor tamaño 4, 5, 9, 10, donde el patrón regular 3 de pilares a microescala o de menor tamaño comprende dos tipos de pilares 4, 5, 9, 10 que difieren en su altura y/o sección transversal 6 y donde todos los pilares 4, 5, 9, 10 están separados por una distancia de separación d <= 1 [mi}m. Asimismo, la presente invención hace referencia a un proceso para la fabricación del cuerpo de polímero termoplástico y a un aparato doméstico que comprende el cuerpo de polímero termoplástico.

Description

CUERPO DE POLÍMERO TERMOPLÁSTICO CON UNA
ESTRUCTURA SUPERFICIAL, PROCESO PARA SU
FABRICACIÓN, Y APARATO DOMÉSTICO QUE COMPRENDE
EL CUERPO DE POLÍMERO TERMOPLÁSTICO
La presente invención hace referencia a un cuerpo de polímero termoplástico con una estructura superficial, a un proceso para su fabricación, y a un aparato doméstico que comprende el cuerpo de polímero termoplástico. En particular, la presente invención hace referencia a un cuerpo de polímero termoplástico con una estructura superficial que contiene en una superficie lisa un patrón regular de pilares a microescala o de menor tamaño, a un proceso para su fabricación, y a un aparato doméstico que comprende el cuerpo de polímero termoplástico.
Los aparatos domésticos pueden entrar en contacto con polvo, suciedad, alimentos, o piel humana. Esto puede provocar problemas relativos a la limpieza y, más importante, a la higiene, ya que, a largo plazo, es posible que se depositen y proliferen microorganismos sobre el aparato doméstico. Asimismo, los artículos que han sido ensuciados de diversas maneras se lavan por lo general en aparatos domésticos portadores de agua. Por tanto, en las máquinas lavavajillas aparecen restos de comida, y el grado de suciedad que se da en las prendas de ropa a lavar en las máquinas lavadoras suele ser incluso mayor. Así, en particular en lugares a los que es difícil acceder, la suciedad puede aparecer y acumularse, y puede ser un buen nutriente para los microorganismos o provocar mal olor. Es habitual la utilización de cuerpos de polímero termoplástico para varias partes de los aparatos domésticos.
Por lo tanto, sería deseable que se proporcione un aparato doméstico con superficies que muestren propiedades de autolimpieza y/o que impidan el crecimiento de comunidades microbianas fijadas a la superficie.
La alteración de la estructura superficial de un substrato sólido permite la alteración de las propiedades de su superficie. Mediante la creación de estructuras a microescala y/o a nanoescala, por ejemplo, es posible modificar la hidrofobicidad de una superficie de tal modo que pase a repeler el agua en gran medida.
Muchos estudios se centran en reproducir micro/nanoestructuras con propiedades superhidrófobas, antimicrobianas, y de autolimpieza de la naturaleza (por ejemplo, la hoja de loto, las alas de la cigarra, etc.) y también en diseñar nuevas micro/nanoestructuras con estas propiedades funcionales. Por ejemplo, las hojas de loto son conocidas por sus propiedades de autolimpieza. La superficie de las hojas de loto muestra una arquitectura a microescala y a nanoescala perceptible. El agua tiene una tensión superficial elevada, de modo que las pequeñas gotas de agua adoptan una forma casi esférica. Una esfera tiene una superficie mínima y, por tanto, tiene una energía superficial mínima. Al entrar en contacto con una superficie, las fuerzas de adhesión dan lugar a la expansión de la gotita y a la mojadura de la superficie, ya sea completa o incompleta. El grado de mojadura depende de las propiedades superficiales, tales como la estructura y la tensión superficial del agua o de un fluido en general. La superficie de las hojas de loto muestra una estructura doble que reduce significativamente el área de contacto y la fuerza de adhesión entre la gotita y la superficie, provocando que las hojas sean hidrófobas y repelentes al agua en gran medida. La doble estructura jerárquica está formada de papilas características con una altura de entre 10 y 20 ^m y una anchura de entre 10 y 15 ^m con ceras epicuticulares superpuestas. La propiedad funcional antimicrobiana de una superficie sólida es la capacidad de impedir el crecimiento de las comunidades microbianas fijadas a la superficie conocidas como biopelículas.
No obstante, hasta el momento no existen micro/nanoestructuras que presenten todas estas propiedades funcionales de manera simultánea. En la actualidad, existen muchas soluciones de nanofabricación para conseguir estas propiedades funcionales, entre las que se incluyen la deposición electroquímica, la deposición química en fase gaseosa, el grabado por plasma, o la fotolitografía, pero estas técnicas no consiguen controlar los parámetros y la fidelidad de las micro/nanoestructuras con precisión, conllevan la utilización de sustancias químicas, son muy caras, o los recubrimientos no son suficientemente duraderos para las exigencias de los productos de consumo.
Las partículas de suciedad son recogidas por las pequeñas gotas de agua que caen rodando por una superficie hidrófoba y, así, son eliminadas con facilidad. Si una pequeña gota de agua rueda a través de un área superficial contaminada, la adhesión entre la partícula de suciedad, con independencia de su composición, y la pequeña gota será mayor que la adhesión entre la partícula y la superficie.
Una medida para la hidrofobicidad de una superficie es el ángulo de contacto de una pequeña gota sobre la superficie. Cuanto mayor sea el ángulo de contacto, más hidrófoba será la superficie. El ángulo de contacto estático se define como la medida de la humectabilidad de una superficie sólida por una gota de líquido, geométricamente como el ángulo formado por un líquido en los tres límites de fase en los que se cruzan un líquido, gas, y un sólido. El ángulo de contacto por deslizamiento (SCA) representa el ángulo mínimo requerido para mover la pequeña gota sobre una superficie sólida. El ángulo de contacto estático máximo representa el ángulo de avance, y el ángulo de contacto estático mínimo se corresponde con el ángulo de retroceso. La histéresis del ángulo de contacto se define como la diferencia del ángulo de contacto de avance y el ángulo de contacto de retroceso para una línea de contacto que se mueva en la dirección contraria a la misma velocidad. Existe una relación de proporcionalidad entre el ángulo de contacto por deslizamiento y la histéresis del ángulo de contacto. A las superficies con un ángulo de contacto <95° se les llama hidrófilas, y a aquéllas con un ángulo de contacto >95° se les llama hidrófobas. Para que una superficie sólida sea considerada superhidrófoba, su ángulo de contacto estático debe tener valores >150° y su ángulo de deslizamiento debe tener valores <10°. Más concretamente, las superficies con ángulos de contacto de hasta entre 160° y 180° son consideradas superhidrófobas, lo cual significa que sólo entre el 3% y el 0,5% del área de la gotita está en contacto con la superficie, provocando el efecto de autolimpieza observado.
Se conocen materiales modificados superficialmente.
La publicación US 2015/0136226 A1 divulga un metal o aleación de metales que comprende al menos una región superficial que incluye múltiples formas estructurales a microescala y múltiples formas estructurales a nanoescala, donde la al menos una región superficial es superhidrófoba, donde la al menos una sección superficial tiene una reflectancia espectral de menos del 60% para al menos algunas longitudes de onda de la radiación electromagnética de entre 0,1 ^m y 500 ^m.
La publicación US 5, 635, 089 divulga una superficie sobre un material con estructuras superficiales cónicas periódicas de menos de 200 micras de altura y menos de 100 micras de grosor. Además, la superficie comprende surcos de menos de 300 micras de anchura entre dichas estructuras superficiales cónicas.
La publicación WO 2015/048 504 A2 divulga una superficie artificial que repele los líquidos, la cual comprende una superficie que contiene sobre ella múltiples microestructuras separadas por un espacio intermedio de menos de 500 ^m y con una topología entrante doblemente situada encima de estructuras base respectivas, y una fracción de contacto líquido-sólido (/S) de menos del 50%, donde la topología entrante doblemente comprende una sección de tapa y un labio, que se extiende hacia abajo, extendiéndose desde la periferia de la sección de tapa.
La publicación US 2013/0138103 A1 divulga una unidad electroquirúrgica con micro/nanoestructura, la cual comprende una empuñadura, y una paleta, dispuesta en un extremo de la empuñadura, y con una micro/nanoestructura compuesta por un híbrido de micro/nanoelementos.
La publicación US 2004/0208791 A1 divulga una superficie ultrafóbica, la cual comprende un substrato que tiene una superficie con una multiplicidad de asperezas conformadas de manera esencialmente uniforme sobre ella, cada aspereza con un ángulo de elevación de aspereza común con respecto al substrato, estando las asperezas posicionadas de tal modo que la superficie tiene una densidad de la línea de contacto medida en metros de la línea de contacto por metro cuadrado de área superficial igual a o mayor que un valor de referencia de la densidad de la línea de contacto.
La publicación EP 2669040 A1 divulga un proceso para fabricar una superficie, donde la superficie muestra estructuras con tamaños en el orden de las submicras. La superficie comprende un material que contiene al menos una cerámica, al menos un vidrio inorgánico, carbono, boro, silicio, al menos una fibra inorgánica y/o carbono no fibroso y/o nitruro de boro que contiene material compuesto con una matriz de cerámica y/o de carbono, al menos un material compuesto metal-cerámica, o al menos un material compuesto hecho de un metal y/o de una aleación de metal, que contenga nitruro de boro y/o carbonoso termoconductor con contenido en partículas y/o fibras y que pueda estar recubierto al menos parcialmente con una capa de óxido, o que esté escogido de una combinación de al menos dos de ellos. Una superficie inicial que envuelva al material, que todavía no muestre estructuras con tamaños en el orden de las submicras y que sea accesible para una irradiación con láser, y sobre la cual se hayan de producir las estructuras superficiales, es barrida por completo por un haz láser pulsado.
La publicación EP 3 222 365 A1 divulga un aparato doméstico con al menos una superficie de autolimpieza prevista sobre un material base, donde la superficie de autolimpieza comprende múltiples estructuras dobles a microescala, donde una estructura doble a microescala está formada por dos estructuras simples a microescala, donde una estructura simple a microescala tiene una primera geometría y una estructura simple a microescala tiene una segunda geometría, y donde la estructura simple a microescala con la segunda geometría está situada sobre la parte superior de la estructura simple a microescala con la primera geometría. La primera geometría es preferiblemente una geometría de micropilar y la segunda geometría es preferiblemente una geometría de microcelda.
La publicación US 2016/198707 A divulga una composición antimicrobiana, la cual comprende un agente activo que reduce la propagación de los patógenos, donde el agente activo está mezclado con un polímero hidrosoluble para producir una mezcla en la que el polímero forme una fase continua, de la cual se puede separar el agente activo, comprendiendo además la composición un polímero hidrófobo.
La publicación WO 2016/090368 A1 divulga una partícula multifuncional que incluye una superficie de la partícula; una primera fracción acoplada a la superficie y con al menos un apéndice esencialmente hidrófobo; y una segunda fracción acoplada a la superficie y con al menos un apéndice que comprende un grupo funcional reactivo y una unidad de repetición esencialmente hidrófila, mediante lo cual la partícula es esencialmente superhidrófoba como resultado del apéndice esencialmente hidrófobo, químicamente reactiva como resultado del grupo funcional reactivo, y migratoria a una superficie de una matriz esencialmente hidrófoba en la que la partícula puede ser incluida como resultado de la unidad de repetición esencialmente hidrófila. Adicionalmente, puede haber grupos funcionales antimicrobianos acoplados a la superficie.
Ante tales antecedentes, la presente invención resuelve el problema técnico de proporcionar un cuerpo de polímero termoplástico y un aparato doméstico que comprenda este cuerpo de polímero termoplástico, en los que estén mejoradas las propiedades superhidrófobas, antimicrobianas y de limpieza, así como un proceso para su fabricación.
De conformidad con la presente invención, este problema técnico se resuelve mediante un cuerpo de polímero termoplástico, un proceso para su fabricación, y un aparato doméstico que comprenda este cuerpo de polímero termoplástico con las características de las reivindicaciones independientes. En las reivindicaciones dependientes respectivas se detallan las formas de realización preferidas de la invención. Las formas de realización preferidas del cuerpo de polímero termoplástico se corresponden con las formas de realización preferidas del aparato doméstico y del proceso para la fabricación del cuerpo de polímero termoplástico, incluso si no se hace referencia a ellas detalladamente en la presente solicitud.
Por lo tanto, la invención hace referencia a un cuerpo de polímero termoplástico con una estructura superficial que contiene en una superficie lisa un patrón regular de pilares a microescala o de menor tamaño, donde el patrón regular de pilares a microescala o de menor tamaño comprende dos tipos de pilares que difieren en su altura y/o sección transversal y donde todos los pilares están separados por una distancia de separación d < 1 ^m.
La distancia de separación d es preferiblemente la distancia máxima entre pilares adyacentes. En el caso de pilares con una sección transversal rectangular, se toma como referencia el pilar adyacente más próximo.
La propiedad funcional antimicrobiana de una superficie sólida es la capacidad de impedir el crecimiento de las comunidades microbianas fijadas a la superficie conocidas como biopelículas. Se ha descubierto que el efecto antimicrobiano es particularmente pronunciado cuando la distancia de separación d es < 1 ^m. Se cree que, con una distancia de separación d < 1 ^m, la adhesión de las bacterias y otros microorganismos a los materiales es difícil o incluso evitable.
Los pilares sobresalen de la superficie lisa. Los ángulos entre los pilares y la superficie lisa pueden ser diferentes. Sin embargo, se prefiere un cuerpo de polímero termoplástico en el que los pilares estén orientados en dirección vertical desde la superficie lisa del cuerpo de polímero termoplástico. La superficie lisa puede ser plana o curvada.
La durabilidad mecánica representa la propiedad de un sólido con superficie micro/nanoestructurada para resistir el estrés mecánico sin que se deterioren los patrones ni se pierda la repelencia al líquido ni las propiedades antimicrobianas. Los cuerpos de polímero termoplástico de la presente invención pueden proporcionar tal durabilidad mecánica.
En una forma de realización preferida del cuerpo de polímero termoplástico, los dos tipos de pilares difieren en su altura o su sección transversal. La sección transversal se mide por lo general en un plano que sea paralelo a la superficie lisa. Además, se prefiere que la sección transversal sea esencialmente constante a través de la altura del pilar, excepto, tal vez, el punto superior.
Además, según la invención es preferido un cuerpo de polímero termoplástico en el que el patrón regular esté compuesto por dos tipos de pilares. No obstante, en la presente invención no está excluido que el patrón regular contenga más de dos tipos de pilares.
En el patrón regular, la distancia entre el mismo tipo de pilares es preferiblemente la misma, a no ser que un pilar adyacente sea de otro tipo, en cuyo caso la distancia puede ser mayor.
En general, los pilares tienen una altura de entre 1 ^m y 25 ^m y una anchura de entre 1 ^m y 25 ^m, pero, de manera más preferida, una altura de entre 3 ^m y 5 ^m y una anchura de entre 5 ^m y 15 ^m. La forma de los micropilares no está limitada. Ésta puede ser rectangular, circular, o su diámetro puede incluso aumentar, disminuir, o variar como es el caso de, por ejemplo, un cono.
En una forma de realización preferida del cuerpo de polímero termoplástico de la presente invención, los pilares tienen una sección transversal elíptica o circular, preferiblemente circular. Entonces, es preferible que los pilares tengan un revestimiento cilíndrico y un punto superior redondeado. El punto superior redondeado es preferiblemente un hemisferio.
Además, se prefiere que estos pilares difieran en su altura de tal modo que el cociente entre las alturas hi/h2 entre los pilares de un primer tipo con una altura hi y los pilares de un segundo tipo con una altura h2 sea de entre 1,2 y 1,6, preferiblemente, de entre 1,3 y 1,5.
En otra forma de realización preferida del cuerpo de polímero termoplástico, los pilares son prismas con un punto superior plano o un punto superior irregular. Entonces, se prefiere que los prismas tengan una sección transversal rectangular. De manera más preferida, los prismas tienen entonces una sección transversal cuadrada y difieren en su altura de tal modo que el cociente entre las alturas H1/H2 entre los prismas de un primer tipo con una altura H1 y los prismas de un segundo tipo con una altura H2 es de entre 1,5 y 5, preferiblemente, de entre 1,8 y 3.
En una forma de realización en la que los prismas tengan una sección transversal cuadrada, se prefiere además que el cociente entre las secciones transversales C1/C2 entre los prismas de un primer tipo con una altura H1 y los prismas de un segundo tipo con una altura H2 sea de más de 50. De manera preferida, el cociente entre las secciones transversales C1/C2 es de más de 100 y, de manera más preferida, de entre 200 y 500.
El cuerpo de polímero termoplástico de la presente invención contiene o está compuesto por un polímero termoplástico. El cuerpo de polímero termoplástico puede ser un cuerpo de polímero termoplástico tridimensional o un recubrimiento superficial que incluya una película que cubra al menos parcialmente una superficie hecha de otro material. El otro material puede ser un metal o un cuerpo termoplástico diferente, o una combinación de éstos. De manera preferida, los pilares contienen o están compuestos por un polímero termoplástico seleccionado de entre el polipropileno, el polimetilmetacrilato (PMMA), y los polímeros de la clase termoplástica vulcanizada. Entonces, es incluso más preferido que el polímero de la clase termoplástica vulcanizada (TPV) comprenda polipropileno en una fase termoplástica rígida y caucho EPDM en una fase elástica blanda.
Asimismo, la invención hace referencia a un proceso para la fabricación de un cuerpo de polímero termoplástico con una estructura superficial que contiene en una superficie lisa un patrón regular de pilares a microescala o de menor tamaño, donde el patrón regular de pilares a microescala o de menor tamaño comprende dos tipos de pilares que difieren en su altura y/o sección transversal y donde todos los pilares están separados por una distancia de separación d < 1 ^m, el cual comprende los pasos:
(a) proporcionar un cuerpo de polímero termoplástico sin tratar con una superficie lisa;
(b) calentar el cuerpo de polímero termoplástico sin tratar del paso (a) por encima de la temperatura de transición vítrea del cuerpo de polímero termoplástico sin tratar para ablandar suficientemente el polímero termoplástico;
(c) presionar un molde prefabricado con un negativo del patrón regular a imprimir sobre el cuerpo de polímero termoplástico sin tratar ablandado del paso (b); y
(d) retirar el molde prefabricado para obtener el cuerpo de polímero termoplástico con la estructura superficial.
De manera preferida, el proceso de la invención se lleva a cabo mediante litografía de nanoimpresión térmica (Th-NIL). Th-NIL es una técnica de conformación mecánica que moldea físicamente un material deformable en la forma deseada. Un proceso de nanoimpresión térmica comprende los siguientes pasos:
1. Un molde prefabricado que contenga características de nanorrelieve se aplica como plantilla sobre una película termoplástica (película de resina) como substrato a una temperatura controlada y a una presión controlada, mediante lo cual se crea un contraste en la película termoplástica.
2. Tras su enfriamiento, la plantilla y el substrato son separados, y el patrón queda reproducido sobre el substrato.
Los parámetros importantes del proceso de Th-NIL de los polímeros termoplásticos son en general la interfaz molde-resina y la interfaz resina-substrato. Cuando la adhesión de la resina al molde es demasiado fuerte, éste no puede ser retirado. Por otro lado, si la interacción es demasiado leve, el patrón del molde no puede ser transferido con precisión sobre la resina. Ha de señalarse que la impresión de polímeros hidrófobos como lo son, por ejemplo, el polipropileno y los TPVs, sobre substratos hidrófilos es difícil. La adhesión superficial entre dos materiales está regida por interacciones mecánicas y químicas. En el caso de, por ejemplo, capas de poliestireno, se puede escoger una presión de impresión de entre 3-6 bares (170-190°C), preferiblemente 4 bares y una temperatura de impresión de entre 180° C y 190° C (70°C -100°C más alta que la temperatura de transición del cristal) durante un tiempo de impresión de entre 20 - 40 minutos, preferiblemente 30 min.
La Th-NIL representa una técnica de microfabricación que se basa en la deformación mecánica directa, y puede conseguir una resolución lateral de 5 nm. La Th-NIL permite la producción de patrones en múltiples niveles en un proceso de estructuración de un solo paso, ahorrándose tiempo y recursos materiales. Las propiedades funcionales deseadas se pueden conseguir de conformidad con la invención mediante la transferencia del patrón regular de pilares a microescala o de menor tamaño, que comprende dos tipos de pilares que difieren en su altura y/o sección transversal y donde todos los pilares están separados por una distancia de separación d < 1 ^m, a toda la clase de polímeros termoplásticos, incluidos en particular el polipropileno, el polimetilmetacrilato (PMMA), y la clase termoplástica vulcanizada (TPVs), mediante micro/nanoestructuración por Th-NIL. Los polímeros termoplásticos se ablandan cuando son calentados, particularmente después de que se haya alcanzado la temperatura de transición vítrea. El proceso de impresión de Th-NIL, que también se puede denominar proceso de curado, es por lo general reversible por completo, ya que no tiene lugar ningún enlace químico. Esta característica hace posible que los termoplásticos sean remoldeados y reciclados sin que las propiedades físicas del material se vean afectadas negativamente. Los TPVs son compuestos específicos de preferiblemente PP como fase termoplástica rígida y caucho EPDM como fase elástica blanda, que han sido vulcanizados dinámicamente durante el paso de formación del compuesto. Fueron concebidos originalmente para cubrir el vacío existente entre los materiales termoplásticos y el EPDM vulcanizado.
Finalmente, la invención hace referencia a un aparato doméstico que comprende un cuerpo de polímero termoplástico con una estructura superficial que contiene en una superficie lisa un patrón regular de pilares a microescala o de menor tamaño, donde el patrón regular de pilares a microescala o de menor tamaño comprende dos tipos de pilares que difieren en su altura y/o sección transversal y donde todos los pilares están separados por una distancia de separación d < 1 ^m.
El aparato doméstico no está limitado según la invención.
No obstante, en una forma de realización preferida, el aparato doméstico inventivo es utilizado para almacenar, tratar y/o preparar alimentos. El término "almacenar” incluye el concepto de almacenar alimentos en un entorno protector para impedir o ralentizar el proceso de descomposición. Este entorno protector puede incluir, por ejemplo, el enfriamiento o la congelación. El término "tratar” incluye el concepto de cortar, exprimir, remover, o amasar alimentos tales como verduras, fruta, nata o masa. El término "preparar” incluye el concepto de cocinar, hornear, cocinar en el microondas, extraer, o fermentar alimentos.
En el caso de que el aparato doméstico se utilice para almacenar, tratar y/o preparar alimentos, es seleccionado preferiblemente de un grupo compuesto por los frigoríficos, los congeladores, las máquinas de café, los hornos, los hornos microondas, las ollas de vapor, los procesadores de alimentos, y los exprimidores.
En otra forma de realización preferida, el aparato doméstico es un aparato doméstico portador de agua. En general, un aparato doméstico portador de agua es un aparato doméstico durante cuyo funcionamiento se usa agua. Los artículos que han de ser lavados pueden ser, en particular, vajilla o prendas de ropa. Según la invención, el término "limpiar” incluye también el concepto de ventilar. Por lo tanto, un aparato doméstico portador de agua puede ser también una secadora.
De manera preferida, si el aparato doméstico inventivo es un aparato doméstico portador de agua, es seleccionado de un grupo compuesto por las máquinas lavavajillas, las máquinas lavadoras, las lavadoras-secadoras, y las secadoras.
Otros aparatos domésticos inventivos pueden ser los hervidores de agua, las planchas de vapor, los humidificadores de aire, los aparatos de aire acondicionado, los dispositivos para la limpieza y el mantenimiento de los suelos, las aspiradoras, o las campanas extractoras.
La invención tiene numerosas ventajas. La invención hace posible la fabricación de cuerpos de polímero termoplástico y, por lo tanto, de aparatos domésticos en los que aquéllos estén incorporados combinando simultáneamente características superhidrófobas, antimicrobianas, y de durabilidad mecánica. Así, la invención es particularmente útil en el sector de los aparatos domésticos, pero también en los campos de la aeronáutica, la náutica, y la cirugía. Los patrones regulares previstos por la presente invención están hechos de una variedad de pilares que tienen diferentes formas o contornos superficiales. A través de esta invención, las propiedades funcionales mencionadas anteriormente se consiguen mediante el control de la humectabilidad apropiada, por ejemplo, mediante antibioincrustaciones, ya que un medio húmedo es propenso a la formación de biopelículas, y/o la anticondensación. Se evita el crecimiento de colonias bacterianas en, por ejemplo, aparatos domésticos, en particular, máquinas lavadoras y máquinas lavavajillas, por la acumulación de agua y restos orgánicos presentes sobre superficies de polímeros termoplásticos. Las superficies de los cuerpos de polímero termoplástico de la presente invención son fáciles de limpiar, más higiénicas, y más eficientes energéticamente. Mediante la utilización de un único patrón para obtener simultáneamente tres propiedades funcionales, se consiguen soluciones rentables. Además, estas propiedades van a mejorar la calidad de vida de los usuarios de los aparatos domésticos. Una particular ventaja de la utilización de la presente invención se basa aquí en que las superficies previstas por la presente invención pueden funcionar durante años. La limpieza es menos compleja gracias a las superficies específicas. En particular, es posible limpiar con menor frecuencia.
El proceso de fabricación es además respetuoso con el medio ambiente y puede adaptarse con facilidad para las cadenas de procesos industriales automatizados. La gama de materiales de base polimérica que puede utilizarse para la fabricación es amplia, y la estructura superficial puede ser producida en un único paso con gran precisión y reproducibilidad.
La producción de los materiales simultáneamente superhidrófobos, antimicrobianos, y duraderos mecánicamente se realiza preferiblemente utilizándose la litografía de nanoimpresión térmica (Th-NIL), una técnica respetuosa con el medio ambiente que puede crear micro/nanocaracterísticas sobre un material mediante su modificación física, un proceso que no conlleva la utilización de sustancias químicas. Además, la utilización de la tecnología de Th-NIL hace posible la producción del patrón regular con una mayor fidelidad en la reproducción.
De hecho, la Th-NIL es la técnica más respetuosa con el medio ambiente entre las técnicas de nanoimpresión, ya que no requiere haces de electrones, radiación, ni productos químicos, tiene una gran resolución, y representa la técnica de nanolitografía que puede implementarse sin demasiadas complicaciones para la producción a gran escala, por ejemplo, por rodillos o litografía de impresión step and stamp. La tecnología de Th-NIL evita las capas y los recubrimientos. Así, las propiedades del material base inicial no se verán modificadas, asegurándose de este modo su durabilidad y estabilidad química durante su vida útil. No se utilizan productos químicos ni desechos, y los polímeros termoplásticos usados son fácilmente reciclables. Además, se consigue una mayor durabilidad de las micro/nanoestructuras en comparación con los recubrimientos normales. La técnica de Th-NIL hace posible la reproducción de nanoestructuras que no pueden obtenerse con una resolución tan elevada mediante otras tecnologías. El breve tiempo del ciclo para la creación de estructuras sobre grandes áreas hace que esta técnica sea también compatible con los procesos de producción. La transferencia del patrón regular descrito aquí puede conseguirse en un paso.
A continuación, la invención se describe más detalladamente con respecto a las formas de realización específicas no limitativas de la presente invención haciéndose referencia a las figuras 1 a 11.
Fig. 1 muestra una vista superior de una estructura superficial que contiene un primer patrón regular en una primera forma de realización no mostrada más detalladamente de un cuerpo de polímero termoplástico de la presente invención.
Fig. 2 muestra una primera vista lateral de una estructura superficial que contiene el primer patrón regular mostrado en la figura 1.
Fig. 3 muestra una segunda vista lateral de una estructura superficial que contiene el primer patrón regular mostrado en la figura 1.
Fig. 4 muestra una vista en perspectiva de una estructura superficial que contiene el primer patrón regular mostrado en la figura 1.
Fig. 5 muestra una vista superior de una estructura superficial que contiene un segundo patrón regular en una segunda forma de realización no mostrada más detalladamente de un cuerpo de polímero termoplástico de la presente invención.
Fig. 6 muestra una vista lateral de la estructura superficial que contiene el segundo patrón regular mostrado en la figura 5.
Fig. 7 muestra una vista en perspectiva de la estructura superficial que contiene el segundo patrón regular mostrado en la figura 5.
Fig. 8 muestra para cuerpos de polímero termoplástico hechos de dos polímeros termoplásticos diferentes el efecto del patrón regular de la estructura superficial de la presente invención sobre el ángulo de contacto por deslizamiento (SCA).
Fig. 9 muestra para cuerpos de polímero termoplástico hechos de dos polímeros termoplásticos diferentes el efecto de la estructura superficial de la presente invención sobre la reducción del ángulo de contacto por deslizamiento (SCA) en experimentos de abrasión.
Fig. 10 ilustra un proceso para la fabricación de un cuerpo de polímero termoplástico de la presente invención mediante la utilización de litografía de nanoimpresión térmica (Th-NIL).
Fig. 11 muestra los cambios de temperatura y presión durante el proceso mostrado en la figura 10.
La figura 1 muestra una vista superior de una estructura superficial 1 que contiene un primer patrón regular 3 en una primera forma de realización no mostrada más detalladamente de un cuerpo de polímero termoplástico de conformidad con la presente invención. El patrón regular 3 de pilares a microescala o de menor tamaño 4, 5 comprende dos tipos de pilares 4, 5, tal y como se ilustra en esta vista mediante círculos negros y blancos. Ambos tienen el mismo diámetro, aquí 1 unidad (1 u), pero diferentes alturas. La dimensión mínima es 1 unidad. Aunque no se puede reconocer en esta vista superior, la altura h1 del primer tipo de pilares 4 es 5 unidades, mientras que la altura h2 del segundo tipo de pilares 5 es 3,5 unidades, siendo las dos medidas desde la base del pilar hasta la parte superior del punto superior, es decir, desde la superficie lisa 2. El cociente h1/h2 es siempre 1,42. Los pilares 4, 5 tienen todos el mismo diámetro.
Tal y como se muestra en la figura 1, la distribución de los pilares sigue una estructura de panal, es decir, una forma hexagonal. Los pilares 5 más bajos están situados sobre cada una de las cúspides, mientras que los pilares 4 más elevados están dispuestos en el centro de cada hexágono. La longitud lateral del hexágono base es 2 unidades. 1 unidad puede variar de 200 nm a 2.000 nm, siempre y cuando la distancia d sea < 1 ^m, aquí d = 1 ^m.
La figura 2 muestra una primera vista lateral de una estructura superficial 1 que contiene el primer patrón regular 3 mostrado en la figura 1. Así, el patrón regular 3 de pilares a microescala o de menor tamaño 4, 5 comprende dos tipos de pilares 4, 5, tal y como aparecen ilustrados en esta vista mediante cilindros negros y blancos, que tienen diferentes alturas, y que sobresalen verticalmente de una superficie lisa 2 plana. En concreto, los pilares negros 4 tienen un tamaño h1 y los pilares blancos 5 tienen un tamaño h2 , tales que h1/h2 siempre es en este caso 1,42. En esta forma de realización, los puntos superiores 8 son hemisferios para cada pilar 4, 5.
La figura 3 muestra una segunda vista lateral de una estructura superficial 1 que contiene el primer patrón regular 3 mostrado en la figura 1. Así, el patrón regular 3 de pilares a microescala o de menor tamaño 4, 5 comprende dos tipos de pilares 4, 5, tal y como aparecen ilustrados en esta vista mediante cilindros negros y blancos, que tienen diferentes alturas, y que sobresalen verticalmente de una superficie lisa 2 plana. En concreto, los pilares negros 4 tienen un tamaño h1 y los pilares blancos 5 tienen un tamaño h2 , tales que h1/h2 siempre es en este caso 1,42. En esta forma de realización, los puntos superiores 8 son hemisferios para cada pilar 4, 5.
La figura 4 muestra una vista en perspectiva de una estructura superficial 1 que contiene el primer patrón regular 3 mostrado en la figura 1. Así, el patrón regular 3 de pilares a microescala o de menor tamaño 4, 5 comprende dos tipos de pilares 4, 5, tal y como aparecen ilustrados en esta vista mediante cilindros negros y blancos, que sobresalen aquí de una superficie lisa 2 plana. En esta forma de realización, los puntos superiores 8 son hemisferios para cada pilar 4, 5.
La figura 5 muestra una vista superior de una estructura superficial 1 que contiene un segundo patrón regular 3 en una segunda forma de realización no mostrada más detalladamente de un cuerpo de polímero termoplástico de la presente invención. El patrón regular 3 de pilares a microescala o de menor tamaño 9, 10 comprende dos tipos de pilares 9, 10, aquí prismas, tal y como se ilustra en esta vista mediante cuadrados negros y blancos de diferentes tamaños. Los cuadrados de los prismas 9 de un primer tipo tienen una longitud lateral de 16 unidades (16 u), mientras que los cuadrados de los prismas 10 de un segundo tipo tienen una longitud lateral de 1. Por consiguiente, el cociente entre las secciones transversales C1/C2 entre los prismas del primer tipo 9 y los prismas del segundo tipo 10 es 256 en esta forma de realización. La distancia mínima entre dos prismas del primer tipo 9 es 32 unidades, mientras que la distancia mínima entre dos prismas del segundo tipo 10, así como la distancia entre un prisma del primer tipo 9 y el prisma más cercano del segundo tipo 10, es 2 unidades. En este caso particular, esta distancia se corresponde con el valor real de 1 ^m.
La figura 6 muestra una vista lateral de una estructura superficial 1 que contiene el segundo patrón regular 3 mostrado en la figura 5. Así, el patrón regular 3 de prismas a microescala o de menor tamaño 9, 10 como pilares comprende dos tipos de prismas 9, 10, tal y como aparecen ilustrados en esta vista mediante cuboides negros y blancos de diferentes alturas, que sobresalen verticalmente de una superficie lisa 2 plana. En esta forma de realización, el primer tipo 9 de los prismas tiene una altura H1 de 8 unidades, y el segundo tipo 10 de los prismas tiene una altura H2 de 4 unidades. Por consiguiente, el cociente H1/H2 es 2 en esta forma de realización. Los puntos superiores 11 son planos, es decir, regulares, para cada prisma 9, 10 en esta forma de realización.
Tal y como se muestra en la figura 6, la distribución de los prismas 9, 10 es tal que los prismas 9 de mayor tamaño están organizados en una matriz cuadrada, donde la distancia entre dos prismas 9 adyacentes es de 32 unidades. 1 unidad puede adoptar valores de entre 250 nm y 2.000 nm, siempre y cuando la distancia d entre los prismas 9, 10, medida en una dirección vertical a la longitud lateral entre prismas adyacentes, sea < 1 ^m.
La figura 7 muestra una vista en perspectiva de una estructura superficial 1 que contiene el segundo patrón regular 3 mostrado en la figura 5. Así, el patrón regular 3 de pilares a microescala o de menor tamaño 9, 10 comprende dos tipos de pilares 9, 10, tal y como aparecen ilustrados en esta vista mediante cuboides negros y blancos, que sobresalen aquí de una superficie lisa 2 plana. En esta forma de realización, los puntos superiores 11 son planos para cada pilar 9, 10.
La figura 8 muestra para cuerpos de polímero termoplástico hechos de dos polímeros termoplásticos diferentes, esto es, polipropileno (cada columna izquierda) y TPV (cada columna derecha), el efecto del patrón regular de la estructura superficial de la presente invención sobre el ángulo de contacto por deslizamiento (SCA). Tal y como puede observarse a partir de la comparación entre las dos columnas izquierdas (estructuradas de conformidad con la presente invención) y las dos columnas derechas (no estructuradas, polímero plano sin estructura superficial), el SCA aumenta significativamente para los cuerpos termoplásticos con una estructura superficial tal y como la prevé la presente invención.
La figura 9 muestra para cuerpos de polímero termoplástico hechos de dos polímeros termoplásticos diferentes, esto es, polipropileno (cada columna izquierda) y TPV (cada columna derecha), el efecto de la estructura superficial de la presente invención sobre la reducción del ángulo de contacto por deslizamiento (SCA) en experimentos de abrasión. Tal y como puede observarse, la reducción del SCA es pequeña incluso tras 1.000 y 3.000 ciclos de abrasión.
Asimismo, se ha constatado que la superficie del cuerpo termoplástico seguía siendo superhidrófoba después del test y que las propiedades antimicrobianas seguían estando disponibles.
Para el test de abrasión, se ha desarrollado un test de Taber para llevar a cabo un ensayo de desgaste acelerado. El test de Taber puede proporcionar datos fiables en cuestión de minutos en comparación con los años que pueden ser necesarios en un test en uso. El test de Taber se usa para comprobar la resistencia al desgaste en diferentes materiales. Dicho test intenta simular el posible impacto de la limpieza efectuada por el usuario de tales partes no metálicas con materiales/paños rugosos/abrasivos. La exposición del test consiste en una cantidad de revoluciones de diferentes ruedas/paños abrasivos dependiendo del objetivo que se pretende conseguir con un rango diferente de presiones de contacto. Algunos valores habituales del número de revoluciones podrían ser 200-3.000 revoluciones/sacudidas (500; 1.000; 1.500; 2.000; 2.500).
La presión de contacto es de entre 1 y 7 N.
Posibles planchas de 100 x 100 mm (como alternativa, 100 mm de diámetro).
El test de Taber ha consistido aquí en efectuar 1.000 y 3.000 sacudidas con el equipo de abrasión, con una presión de 0,05 kgf/cm2 a una velocidad de 37 ciclos/min con un trozo seco de paño.
La figura 10 ilustra un proceso para la fabricación de un cuerpo de polímero termoplástico de la presente invención usándose litografía de nanoimpresión térmica (Th-NIL).
La figura 10(a) ilustra la fase A antes del paso real de impresión. Un molde prefabricado 13 con un negativo del patrón regular 3 a imprimir es sostenido sobre un cuerpo termoplástico sin tratar 12, que aquí es una película que está colocada sobre un soporte sólido 15 hecho de un material diferente.
La figura 10(b) ilustra la fase B durante el paso de impresión en el cual se aplica una presión sobre el molde prefabricado 13, tal y como ilustran las flechas. Sobre el soporte sólido 15 puede reconocerse un cuerpo de polímero termoplástico 14 con una estructura superficial 1, que ha sido producido a partir del cuerpo termoplástico sin tratar 12 mostrado en la figura 10(a).
La figura 10(c) ilustra la fase C, en la que el molde prefabricado 13 es retirado del cuerpo de polímero termoplástico 14 con una estructura superficial 1. 15 es un soporte sólido para el cuerpo de polímero termoplástico 14.
La figura 11 muestra los cambios de temperatura y presión durante el proceso mostrado en la figura 10. Tal y como se puede observar, la temperatura ha aumentado durante la fase A para ablandar el polímero termoplástico del cuerpo de polímero termoplástico sin tratar 12 y es mantenida en un valor máximo durante la fase B. "Tg” hace referencia a la temperatura de transición vítrea del polímero termoplástico. En la fase C, la temperatura se reduce. Durante las fases B y C, se aplica una presión elevada.
Símbolos de referencia
Estructura superficial (del cuerpo de polímero termoplástico) Superficie lisa
Patrón regular
Pilar a microescala o de menor tamaño de un primer tipo
Pilar a microescala o de menor tamaño de un segundo tipo Sección transversal
Revestimiento cilíndrico
Punto superior redondeado
Prisma (pilar con forma de prisma) de un primer tipo
Prisma (pilar con forma de prisma) de un segundo tipo
Punto superior plano (de un prisma)
Cuerpo de polímero termoplástico sin tratar
Molde prefabricado con un negativo del patrón regular a imprimir Cuerpo de polímero termoplástico con una estructura superficial Soporte sólido

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Cuerpo de polímero termoplástico (14) con una estructura superficial (1) que contiene en una superficie lisa (2) un patrón regular (3) de pilares a microescala o de menor tamaño (4, 5, 9, 10), caracterizado porque el patrón regular (3) de pilares a microescala o de menor tamaño comprende dos tipos de pilares (4, 5, 9, 10) que difieren en su altura y/o sección transversal (6) y porque todos los pilares (4, 5, 9, 10) están separados por una distancia de separación d < 1 ^m.
2. Cuerpo de polímero termoplástico (14) según la reivindicación 1, donde los pilares (4, 5, 9, 10) están orientados en dirección vertical desde la superficie lisa (2) del cuerpo de polímero termoplástico (14).
3. Cuerpo de polímero termoplástico (14) según cualquiera de las reivindicaciones enunciadas anteriormente, donde los dos tipos de pilares (4, 5, 9, 10) difieren en su altura o su sección transversal (6).
4. Cuerpo de polímero termoplástico (14) según cualquiera de las reivindicaciones enunciadas anteriormente, donde el patrón regular (3) está compuesto por dos tipos de pilares (4, 5, 9, 10).
5. Cuerpo de polímero termoplástico (14) según cualquiera de las reivindicaciones enunciadas anteriormente, donde los pilares (4, 5) tienen una sección transversal (6) circular.
6. Cuerpo de polímero termoplástico (14) según la reivindicación 5, donde los pilares (4, 5) tienen un revestimiento cilíndrico (7) y un punto superior redondeado (8).
7. Cuerpo de polímero termoplástico (14) según las reivindicaciones 5 ó 6, donde los pilares (4, 5) difieren en su altura de tal modo que el cociente entre las alturas h1/h2 entre los pilares de un primer tipo (4) con una altura h1 y los pilares de un segundo tipo (5) con una altura h2 es de entre 1,2 y 1,6.
8. Cuerpo de polímero termoplástico (14) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde los pilares son prismas (9, 10) con un punto superior plano (11) o un punto superior irregular.
9. Cuerpo de polímero termoplástico (14) según la reivindicación 8, donde los prismas (9, 10) tienen una sección transversal (6) rectangular.
10. Cuerpo de polímero termoplástico (14) según la reivindicación 9, donde los prismas (9, 10) tienen una sección transversal (6) cuadrada y difieren en su altura de tal modo que el cociente entre las alturas H1/H2 entre los prismas de un primer tipo (9) con una altura H1 y los prismas de un segundo tipo (10) con una altura H2 es de entre 1,5 y 5.
11. Cuerpo de polímero termoplástico (14) según las reivindicaciones 9 ó 10, donde los prismas (9, 10) tienen una sección transversal (6) cuadrada tal que el cociente entre las secciones transversales C1/C2 entre los prismas de un primer tipo (9) con una altura H1 y los prismas de un segundo tipo (10) con una altura H2 es de más de 50.
12. Cuerpo de polímero termoplástico (14) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, donde los pilares (4, 5, 9, 10) contienen o están compuestos por un polímero termoplástico seleccionado de entre el polipropileno, el polimetilmetacrilato (PMMA), y los polímeros de la clase termoplástica vulcanizada (TPV).
13. Cuerpo de polímero termoplástico (14) según la reivindicación 12, donde el polímero de la clase termoplástica vulcanizada comprende polipropileno en una fase termoplástica rígida y caucho EPDM en una fase elástica blanda.
14. Proceso para la fabricación de un cuerpo de polímero termoplástico (14) con una estructura superficial (1) que contiene en una superficie lisa (2) un patrón regular (3) de pilares a microescala o de menor tamaño (4, 5, 9, 10), donde el patrón regular (3) de pilares a microescala o de menor tamaño comprende dos tipos de pilares (4, 5, 9, 10) que difieren en su altura y/o sección transversal (6) y donde todos los pilares (4, 5, 9, 10) están separados por una distancia de separación d < 1 ^m, el cual comprende los pasos:
(a) proporcionar un cuerpo de polímero termoplástico sin tratar (12) con una superficie lisa (2);
(b) calentar el cuerpo de polímero termoplástico sin tratar (12) del paso (a) por encima de la temperatura de transición vítrea del cuerpo de polímero termoplástico sin tratar (12) para ablandar suficientemente el polímero termoplástico;
(c) presionar un molde prefabricado (13) con un negativo del patrón regular (3) a imprimir sobre el cuerpo de polímero termoplástico sin tratar (12) ablandado del paso (b); y
(d) retirar el molde prefabricado (13) para obtener el cuerpo de polímero termoplástico (14) con la estructura superficial (1).
15. Aparato doméstico que comprende un cuerpo de polímero termoplástico (14) con una estructura superficial (1) que contiene en una superficie lisa (2) un patrón regular (3) de pilares a microescala o de menor tamaño (4, 5, 9, 10), caracterizado porque el patrón regular (3) de pilares a microescala o de menor tamaño comprende dos tipos de pilares (4, 5, 9, 10) que difieren en su altura y/o sección transversal (6) y porque todos los pilares (4, 5, 9, 10) están separados por una distancia de separación d < 1 ^m.
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