HU217781B - Öntisztító felület tárgyakra és eljárás az öntisztító felület előállítására - Google Patents

Abstract

A találmány tárgya öntisztuló felület tárgyakra. A találmány szerint afelület kiemelkedésekkel és bemélyedésekkel ellátott, mesterségesfelületi struktúrával rendelkezik. A kiemelkedések közötti távolság 5?m és 200 ?m közötti tartományban van, a kiemelkedések magassága 5 ?més 100 ?m közötti tartományban van. Legalább a kiemelkedések hidrofóbpolimerekből vagy tartósan hidrofobizált anyagokból vannak, és akiemelkedések vízzel vagy detergenseket tartalmazó vízzelleoldhatatlanok. A találmánynak ugyancsak tárgya eljárás az öntisztulófelület előállítására. A találmány szerint a felületi struktúráthidrofób polimerekből vagy már az előállítás során létrehozzák, vagypedig utólag hozzák létre, mégpedig utólagos dombornyomással vagymaratással, vagy hidrofób polimereket tartalmazó por felragasztásával,vagy pedig korábban előállított és kívánt felületi struktúrávalrendelkező felület utólagos, tartós hidrofobizálásával. ŕ

Description

A találmány tárgya öntisztuló felület tárgyakra, és eljárás az öntisztuló felület előállítására, ahol az öntisztulás előnyösen azáltal jön létre, hogy a felület időről időre esőnek vagy mozgó víznek ki van téve.

Tárgyak felületeinek tisztítása műszakilag és gazdaságilag egyaránt nagyon fontos, mégpedig részben optikai és esztétikai okokból, részben pedig műszaki okokból, különösen akkor, ha fényáteresztő felületekről van szó, amelyeket időről időre tisztítani kell, hogy a funkciójúkat továbbra is el tudják látni.

Nincs hiány olyan kísérletekben, amelyek szennytaszító és/vagy eső vagy mozgó víz által öntisztuló műszaki felületek megalkotására irányultak. Ezek a próbálkozások viszonylag kevés sikerrel jártak, mert e felületek viszonylag rövid ideig őrzik meg a tulajdonságaikat. A probléma megoldására a gyártók többek között polimer fóliákkal és polimer lemezekkel végeztek kísérleteket, amelyek során a lehető legsimább felületeket állítottak elő, és a felületeket vagy extrém hidrofóbbá, vagy extrém hidrofillá tették. Például a felületeket extrém hidrofób teflonból állították elő, vagy extrém hidrofil, úgynevezett „cseppmentes” rétegből, amelyeken víz és szennyeződés cseppmentesen le tud folyni.

A CH-PS-26 82 58 számú dokumentumban olyan víztaszító felületet írnak le, amelynek a vízzel bezárt szöge 120°-nál nagyobb. Ezt a felületet úgy nyerik, hogy valamilyen alaprétegre port - például kaolint, talkumot, agyagot vagy szilikagélt - hordanak fel, amelynek során a port szerves szilíciumvegyületekkel előzetesen hidrofobizálják. A port kikeményíthető gyantákkal vagy szerves oldószereket tartalmazó oldatokkal együtt hordják fel. Ilyen módon tartósan hidrofób felületet nem lehet előállítani. Ezenkívül a dokumentum a por jellemző szemcseméreteire vagy a szemcseméret-eloszlására semmilyen információt nem közöl. A leírt módon kapott felület tulajdonságait a sarkantyúka leveleinek tulajdonságaival hasonlítják össze. Ezzel kapcsolatban meg kell jegyezni, hogy ezen összehasonlításkor még nem volt ismert, és technikailag nem is volt lehetséges analizálni azt, hogy mi az alapja a sarkantyúkalevelek felületi tulajdonságainak. A most elvégzett kísérletekből kiderült, hogy a sarkantyúka extrém finom mikrostruktúrával rendelkezik, amelyben a struktúraelemek mérete 2 pm-nél kisebb. Ilyen felületi struktúrát mesterségesen aligha lehet előállítani, nem beszélve arról, hogy az mechanikailag rendkívül sérülékeny lenne. A sarkantyúka tehát nem tekinthető alkalmas modellnek. Ezért az ilyen struktúrák nem is tárgyai a jelen találmánynak.

A DE-PS-10 23 217 számú dokumentumban egy öntőformát írnak le érdes felületű munkadarabok előállítására. Az öntőformában kaucsukból vagy műanyagból érdes felületű idomokat kell előállítani. Ezért az öntőforma falai durva korundporral és ráégethető lakkal be vannak vonva. Az öntőformával előállított termékeken helyenként bemélyedések vannak, így a tapadási tulajdonságai az átlagosnál jobbak. Még a szokásos vulkanizációs kéreg is elmarad. Az így nyert felületek például jól feliratozhatok. Ezért biztos, hogy az így előállított termékek mozgó víz által nem öntisztulóak.

A JP-A-3-174279 számú dokumentumban (kivonat) egy eljárást ismertetnek, amellyel íveken vagy fóliákon matt, dekoratív felületeket lehet előállítani. A felületet lakkból állítják elő, amelyet ionizáló sugárral kikeményítenek, és amelybe nem részletezett módon közelebbről szintén nem részletezett mintázatot nyomnak. Utána a felületet újabb besugárzással teljesen kikeményítik.

A bejelentő többéves kutatómunkával megállapította, hogy bizonyos növények felületei képesek arra, hogy eső vagy mozgó víz által megtisztuljanak, és az ilyen felületeken szilárd szennyező szemcsék sem tudnak tartósan megtapadni. E felületek szennytaszító tulajdonságait régóta azzal magyarázzák, hogy a növény felületein különböző viaszrétegek találhatók. Azóta pontosabb vizsgálatok feltárták, hogy a növényi felületek öntisztulási képessége nem annyira a viasz milyenségétől függ, hanem e viasz felületi struktúrájától. További kutatásokból az is ismertté vált, hogy az öntisztulás képessége sok esetben megsemmisülhet, ha a felületet detergenseket tartalmazó víz éri, mert a viaszszemcsék módosulnak.

A bejelentő további beható kutatásai végül arra a meglepő eredményre vezettek, hogy technikailag mód van arra, hogy tárgyak felületeit mesterségesen öntisztulóvá tegyük, mégpedig konkrétan olyan módon, hogy a felületeken kiemelkedésekkel és bemélyedésekkel ellátott felületi struktúrát hozunk létre mesterségesen, ügyelve arra, hogy a felületi struktúra kiemelkedései közötti távolság 5 pm és 200 pm közötti, előnyösen 10 pm és 100 pm közötti tartományban legyen, és a kiemelkedések magassága 5 pm és 100 pm közötti, előnyösen 10 pm és 50 pm közötti tartományban legyen, továbbá ügyelve arra, hogy ezek a kiemelkedések hidrofób polimerekből vagy tartósan hidrofobizált anyagokból álljanak, és a kiemelkedések vízzel vagy detergenseket tartalmazó vízzel leoldhatatlanok legyenek.

Ilyen öntisztuló felületet elő lehet állítani úgy, hogy a felületi struktúrát hidrofób polimerekből már az előállítás során létrehozzuk, vagy pedig úgy, hogy a felületi struktúrát csak utólag hozzuk létre, mégpedig utólagos dombornyomással vagy maratással vagy hidrofób polimereket tartalmazó por felragasztásával. Végül korábban előállított és kívánt felületi struktúrával rendelkező felület utólagos, tartós hidrofobizálásával is elő lehet állítani ilyen öntisztuló felületet tárgyakon. Utólagos, tartós hidrofobizálás egyik lehetséges módja az, hogy korábban előállított és kívánt struktúrával rendelkező felületet utólag szilanizálunk. Minden anyagot szilanizálni lehet, amely természeténél fogva hidrofil, de a szilánok aktív csoportjaival reakcióba tud lépni, mert így a felületet végül is a szilánok hidrofób maradékai képezik.

Műszakilag különösen nagy jelentősége van tárgyak öntisztuló felületeinek akkor, ha a felületek fényáteresztőek, és a fényáteresztő képességüket optikai, esztétikai vagy műszaki okokból hosszú ideig meg kell őrizniök. Elsősorban épületek, járművek, napkollektorok stb. fényáteresztő üvegezéséről van szó. De az öntisztuló felületeknek nagy még a gazdasági és műszaki jelentősége házak homlokzatánál, tetőknél, emlékmű2

HU 217 781 Β veknél és sátraknál, továbbá silók, tartályok és csővezetékek belső bevonatainál, amelyekben vagy vizes oldat van, vagy amelyek mozgó vízzel könnyen és maradéktalanul tisztíthatóak. Fontos alkalmazási területnek számít még különböző járművek - autók, vonatok, repülőgépek - külső bevonata. Itt azonban ügyelni kell arra, hogy mozgó vízzel való tisztításkor ezeket a felületeket nem szabad erős mechanikai igénybevételnek kitenni, mert az a felületi struktúrát simítja vagy csiszolja, és bár így fényes lesz a felület, de az öntisztuló tulajdonságát elveszíti.

A kívánt felületi struktúrát úgy lehet hidrofób polimerekből már az előállítás során létrehozni, hogy a tárgyakat eleve olyan öntőformát vagy sajtolóbélyeget használva állítjuk elő, amelyen a kívánt felületi struktúra negatívja ki van alakítva. Az is járható út, hogy a hidrofób polimereket olyan oldatok és/vagy diszperziók formájában hordjuk fel, amelyek száradáskor és megkötéskor a kívánt felületi struktúrát veszik fel. Ilyen struktúrák jönnek létre például önszervező polimerekből, vagy olyan feltételek teljesülése esetén, amelyek matt lakkfelületek előállítására használt eljárásokból elvileg ismertek.

Amennyiben a kívánt felületi struktúrát nem lehetséges vagy nem kívánatos eleve - vagyis a felület előállításával egyidejűleg - létrehozni, akkor az utólag is létrehozható, mégpedig például utólagos dombornyomással vagy maratással. A dombornyomás történhet például fűtött vagy fűthető nyomóbélyeggel. A maratás elvégezhető a vegyi maratás ismert anyagaival vagy fizikai eljárásokkal, mint például oxigénes ionmaratással vagy egyéb olyan besugárzási eljárásokkal, amelyek a felületet érdesítik, és így a találmány szempontjából alkalmas felületi struktúrát eredményeznek.

Kiderült még, hogy a kívánt felületi struktúrát hidrofób polimereket tartalmazó por felragasztásával is létre lehet hozni. Hidrofób polimereket tartalmazó porok beszerezhetők a kívánt szemcseméretekben. Optimális eredmény azonban csak olyan porral érhető el, amelyben a szemcseméret eloszlása viszonylag szűk tartományra korlátozódik.

Nem lehetett előre látni, hogy a találmány szerinti felületi struktúra - vagyis hidrofób polimer anyagú kiemelkedésekkel és bemélyedésekkel ellátott vagy utólag tartósan hidrofobizált felületi struktúra - olyan tulajdonságot eredményez, hogy a felület eső vagy mozgó víz által maradéktalanul tisztíthatóvá válik. Különösen attól kellett tartani, hogy a kiemelkedések közötti távolságnál kisebb méretű szilárd szemcsék lerakódnak a kiemelkedések között, ami lerontaná a felülettől megkívánt öntisztuló tulajdonságokat. Bebizonyosodott azonban, hogy az öntisztuló effektus még olyan extrém finom szemcsékből álló szennyezés esetén is tökéletesen működik, amely szemcsék lerakódnak a felület domborzatának köztes tereibe. A becsapódás pillanatában ugyanis a becsapódó vízcseppek (például esőcseppek) a kinetikus energiájuk következtében rövid időre a mikrodomborzatnak nyomódnak, és az ott rekedt szennyező anyagot feltépik, majd a legördülő cseppekkel kimossák.

Az is kiderült, hogy minden további nélkül meg lehet engedni, hogy a találmány szerinti öntisztuló felület detergenseket tartalmazó vízzel érintkezésbe kerüljön. A felület átmenetileg elveszíti ugyan az öntisztuló tulajdonságát, de azonnal visszanyeri azt követően, hogy a felületet tiszta vízzel esőztetve vagy leöblítve újra eltávolítják a detergenseket. Vagyis a találmány szerinti felületben - ellentétben az öntisztuló növényi felületekkel - nem tudnak maradandó kárt tenni a detergensek. A felület öntisztuló tulajdonságát tehát csak a felületi struktúra mechanikai roncsolásával lehet tönkretenni. Az öntisztuló hatást azonban a találmány szerint még ekkor is helyre lehet állítani, ha nem is mindig teljes mértékben, amennyiben alkalmas, hidrofób polimereket tartalmazó port ragasztanak rá. A víztaszító tulajdonság nyilvánvalóan azon alapul, hogy vízcseppek csak a kiemelkedések csúcsaira tudnak ráülni, így az öntisztuló felülettel csak rendkívül kis felületen érintkeznek. A vízcseppek és a bemélyedések felülete közé viszont viszonylag sok levegő bezáródik, így a határfelület ezüstösen csillogónak látszik. Mivel a levegő a vízre nézve nagyon hidrofób anyag, a cseppek minimális felületű térformát, azaz gömb alakot vesznek fel, és a legkisebb rázkódásra legördülnek a felületről. A szilárd szemcsék adhéziója hasonló módon szintén le van csökkentve. A szilárd szemcsék a kémiai természetüktől függetlenül többé-kevésbé nagy affinitást mutatnak a vízcseppekhez, így azokat a felületről legördülő cseppek eltávolítják.

Optimális eredményt akkor lehet elérni, ha a felületi struktúra kiemelkedései egymás mellett elég szorosan helyezkednek el ahhoz, hogy a vízcseppek a kiemelkedések közötti bemélyedésekkel ne tudjanak érintkezésbe kerülni vagy azokba lesüllyedni. Ha a felületi struktúra kiemelkedései egymáshoz túl szorosan helyezkednek el, vagy a bemélyedések nem elég mélyek, akkor viszont már zárt felületként működnek, és jobban nedvesíthetők. Ezért arra kell törekedni, hogy a kiemelkedések növekvő távolságával a kiemelkedések fenékszinttől mért magassága is növekedjék. Az elvégzett mérések azt mutatták, hogy ha a kiemelkedések távolsága és magassága a találmány szerinti határértékek között van, jó eredményt lehet elérni. Optimális eredményt olyan kiemelkedésekkel lehet elérni, amelyek magassága 10 pm és 50 pm közötti tartományban van, és amelyek közötti távolság 10 pm és 100 pm közötti tartományban van. Mindenesetre ilyen felületi struktúrákat minden olyan helyen alkalmazni lehet, ahol detergensektől mentes mozgó víz vagy eső általi öntisztulás kívánatos.

Az alábbi példákban laboratóriumi méretekben megvalósított előnyös kiviteli alakokat ismertetünk. Ipari méretekben elvileg hasonló eljárásokat lehet alkalmazni; olyanokat is, amelyeket más célokra és más dimenziókban felületek megváltoztatására és külső megjelenésének kialakítására már kidolgoztak és alkalmaznak, de nem a találmány szerinti, öntisztuló tulajdonságokkal rendelkező felület létrehozása céljából.

1. példa

Sima felületű műanyagból - például egy melaminbázisú anyagból, például Resopalból (gyártó cég Reso3

HU217 781 Β pal GmbH, Gross-Umstadt, DE) - vagy polietilénből lévő felületet vékony, egyenletes rétegben bekenünk UHU PLUS^R ragasztóval (gyártó cég Henkel, Düsseldorf, DE), majd teflonport - például Hostaflon^R TF 9205 jelű port (gyártó cég Hoest, Frankfurt, DE), közepes szemcseméret 7 pm - hordunk fel. A kikeményítés után kapott felületről a rárakódott szemcséket - például kormot és festékport - vízzel le lehet öblíteni.

2. példa

Sima felületű hidrofób anyagot, például PTFE-t, körülbelül 260 °C-ra, a plasztikus alakíthatóság hőmérsékletre hevítünk. Ekkor az ofszetnyomásból ismert nagy finomságú szitát nyomunk a felületnek, majd eltávolítjuk a szitát. Lehűlés után olyan felületet kapunk, amelyen szabályosan elrendezett, összemérhető magasságú kiemelkedések és bemélyedések vannak. Különböző szitákkal, amelyek vastagsága és lyukmérete eltérő, a méreteket változtatni és optimalizálni lehet a kívánt kiemelkedések méreteinek megfelelően. A kapott felület tulajdonságai akkor optimálisak, ha a kiemelkedések csúcsai le vannak kerekítve. Ilyen felületi struktúrákat természetesen fűtött nyomóbélyegekkel vagy nyomóhengerekkel is elő lehet állítani. Alkalmasan kialakított fóliákat rá lehet ragasztani egy másik, sima alaprétegre.

Claims (6)

SZABADALMI IGÉNYPONTOK

1. Öntisztuló felület tárgyakra, amelynek felülete bemélyedéseket és kiemelkedéseket tartalmaz, azzal jellemezve, hogy kiemelkedésekkel és bemélyedésekkel ellátott, mesterséges felületi struktúrával rendelkezik; ahol a kiemelkedések közötti távolság 5 pm és 200 pm közötti tartományban van, míg a kiemelkedések magassága 5 pm és 100 pm közötti tartományban van; továbbá legalább a kiemelkedések hidrofób polimerekből vagy tartósan hidrofobizált anyagokból vannak; és a kiemelkedések vízzel vagy detergenseket tartalmazó vízzel leoldhatatlanok.

2. Az 1. igénypont szerinti öntisztuló felület, azzal jellemezve, hogy a tárgyak felületei fényáteresztőek.

3. Az 1. vagy a 2. igénypont szerinti öntisztuló felület, azzal jellemezve, hogy a tárgyak felületei esőnek vagy mozgó víznek kitett felületek.

4. Eljárás az 1-3. igénypontok bármelyike szerinti öntisztuló felület előállítására, azzal jellemezve, hogy a felületi struktúrát hidrofób polimerekből már az előállítás során hozzuk létre, mégpedig úgy, hogy egy hidrofób anyagot plasztikus alakíthatóság hőmérsékletig felmelegítjük, például PTFE-t 260 °C hőmérsékletig, majd nagy finomságú szitát nyomunk felületére, amelynek lyukméretei a kiemelkedések közti távolsággal egyezően 5 pm és 200 pm közti tartományban vannak, majd dermedést hőmérsékletre lehűtjük, és hagyjuk ismét kikeményedni.

5. Eljárás az 1-3. igénypontok bármelyike szerinti öntisztuló felület előállítására, azzal jellemezve, hogy a felületi kiemelkedéseket egy hidrofób anyagon, például PTFE-anyagon, fűtött nyomóbélyeggel vagy nyomóhengerrel hozzuk létre.

6. Eljárás az 1-3. igénypontok bármelyike szerinti öntisztuló felület előállítására, azzal jellemezve, hogy egy sima felületű műanyagból, például polietilénből lévő felületet egyenletesen bekenjük ragasztóval, például melaminbázisú ragasztóval, majd hidrofób polimereket tartalmazó port viszünk fel a ragasztóval bevont felületre, például teflonport, melynek közepes szemcsemérete 7 pm, ezután hagyjuk kikeményedni, majd kikeményedés után a felületről vízzel leöblítjük a rárakódott szennyező szemcséket.