JP2005522644A - 微細構造化表面を有する固体 - Google Patents

Abstract

本発明は、稜線は高さ（Ｈ）の点で０ｍｍ〜２ｍｍの範囲内にある極小および極大を有し、かつこの極小および極大は０．００５〜２０ｍｍの範囲内の振幅で周期的に重なり合って連続しており、かつ隣接する稜線の列の間隔は相互に０．０００２ｍｍ〜５ｍｍであり、その際、列間の谷部は平面状または先細状に延びていてよく、かつ横断面で台形またはくさび形の形の稜線は１５〜７５°の範囲内のくさび角（α）を有することにより特徴付けられる、横断面で台形またはくさび形の形の稜線の優先方向に配向された列を有する微細構造化表面を少なくとも部分的に有する、プラスチック、ガラス、セラミックまたは金属からなる固体に関する。

Description

発明の分野
本発明は、横断面で台形またはくさび形の形の稜線の優先方向に配向された列を有する微細構造化表面を少なくとも部分的に有する、プラスチック、ガラス、セラミックまたは金属からなる固体に関する。さらに、本発明は固体の製造法および可能な使用に関する。

公知技術水準
微細構造化表面を有する、技術的な方法により製造された固体は自体公知であり、自然物、とりわけサメの皮から公知である摩擦低下の物理的原理に従う。従って上記固体はそのまま”シャークスキン”とも呼称されることもある。適当な構造化を行った場合、気体または液体が乱流でオーバーフローする際に摩擦抵抗または流動抵抗の低下が観察される。

ＤＥ３６０９５４１Ａ１には、乱流によりオーバーフローされた物体の低下された壁面剪断応力を有する表面により低下された流動抵抗が記載されており、この場合この表面は、鋭利なエッジで形成されたリブにより互いに分離されておりかつ流れ方向に延びているチャネルを有する。この場合、リブは一貫した列で平行に配置されているのではなく、それぞれ互いにずれて配置されている。

ＥＰ０８４６６１７Ａ２には、流れの主方向を有する流れにより乱流でオーバーフローされた壁部のための表面が記載されており、この場合この表面は、流れ方向に整列され、流れの主方向に対して側方に間隔をあけられたリブを有し、その高さはリブ間隔の４５〜６０％である。リブは２０〜５０°のくさび角を有するくさび形の形に形成されている。列間の谷部は平面状であってもアーチ状であってもよい。

課題および解決
ＤＥ３６０９５４１Ａ１に記載された表面は、リブ要素の交互の配置に基づき、この表面は製造が困難であるかまたは極めてコストをかけてのみ製造可能であり、同時に、その摩擦低下作用はわずかであるに過ぎないという欠点を有する。

ＥＰ０８４６６１７Ａ２に記載された構造物は、表面の、比較的摩擦の少ない均一なオーバーフローを保証する。しかしながら微細構造物の規則的な配置により、液体とオーバーフローされた媒体、流体または気体との間に比較的薄い境界層が形成されるに過ぎず、これは摩擦低下剪断応力の解決には最適でない。従って流れは容易に乱され得り、それどころか場合により中断され得る。

摩擦抵抗または流動抵抗のさらなる低下を達成するために、公知技術水準から出発して、微細構造化された表面を有する固体をさらに発展させることが好ましい。

上記課題は、
稜線は高さ（Ｈ）の点で０ｍｍ〜２ｍｍの範囲内にある極小および極大を有し、かつ
この極小および極大は０．００５〜２０ｍｍの範囲内の波長で周期的に重なり合って連続しており、かつ
隣接する稜線の列の間隔は相互に０．００２ｍｍ〜５ｍｍであり、その際、列間の谷部は平面状、アーチ状、または先細状に延びていてよく、かつ
横断面で台形またはくさび形の形の稜線は１５〜７５°の範囲内のくさび角（α）を有する
ことにより特徴付けられる、横断面で台形またはくさび形の形の稜線の優先方向に配向された列を有する微細構造化表面を少なくとも部分的に有する、プラスチック、ガラス、セラミックまたは金属からなる固体により解決される。

本発明による固体は、殊に、この固体が、気体または流体のオーバーフローの際に、極めてわずかな摩擦抵抗または流動抵抗を有するという利点を有する。これは、殊に横断面で台形またはくさび形の形の稜線の列を有する表面構造物により達成される。

同時に、稜線が、高さ（Ｈ）の点で０ｍｍ〜２ｍｍの範囲内にある極小および極大を有すること、および極小および極大が０．００５〜２０ｍｍの範囲内の波長で周期的に重なり合って連続していることにより、より長い距離に亘っても中断しない、本質的に多少なりとも不均一なオーバーフローが達成される。これにより、全体的に本発明により公知技術水準と比較して改善された結果が達成され得る。

図
本発明は以下の図により詳説されるが、これに制限されるものではない。

図１ａ：
稜線の高所部において、約６０°の一定のくさび角（α）を有するくさび形の形の微細構造物と先細谷部との正弦状に変動する平行の列を有する、押出成形されたプラスチックシートからなる一部分の上方からの概略図である。微細構造物は横断面−ベース−幅で周期的に変動する。横断平面Ａ−Ａ、Ｂ−ＢおよびＣ−Ｃの間隔は、互いに、それぞれ波長の半分である。隣接する列の極小の経過曲線および極大の経過曲線は、波長の半分だけずれている。矢印は押出方向を示す。

図１ｂ：
図１ａの横断平面Ａ−Ａ、Ｂ−ＢおよびＣ−Ｃ。横断面Ａ−Ａ、Ｂ−ＢおよびＣ−Ｃは、平行の列中に延びている稜線の高さ（Ｈ）の交互の極小および極大、先細谷部および変動する横断面−ベース−幅を示す。

図１ｃ：
横断面で、記載された高さ（Ｈ）、横断面−ベース−幅（Ｂ）およびくさび角（α）を有する、対称的な台形異形成形体（左）および対称的なくさび形異形成形体（右）を有する稜線。

本発明の実施形式
本発明は、
横断面で台形またはくさび形の形の稜線の優先方向に配向された列を有する微細構造化表面を少なくとも部分的に有する、プラスチック、ガラス、セラミックまたは金属からなる固体
に関する。

材料
プラスチック、殊に熱硬化性樹脂および殊に有利に熱可塑性樹脂が有利である。熱可塑性樹脂の場合、非晶質プラスチックが有利である。

適当なプラスチックは例えば：
ポリメチルメタクリレート−プラスチック、耐衝撃性の改良されたポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート−プラスチック、ポリスチレン−プラスチック、スチレン−アクリロニトリル−プラスチック、ポリエチレンテレフタレート−プラスチック、グリコール変性されたポリエチレンテレフタレート−プラスチック、ポリ塩化ビニル−プラスチック、透明ポリオレフィン−プラスチック、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）−プラスチックまたは種々の熱可塑性プラスチックの混合物（ブレンド）
である。

耐候性プラスチック、例えば
ポリメタクリレート−プラスチックおよび／または耐衝撃性の改良されたポリメタクリレート−プラスチック、ポリビニリデン−プラスチックおよび／またはポリメタクリレート−プラスチックとポリフッ化ビニリデン−プラスチックとからの混合物（ブレンド）、および／またはポリカーボネート−プラスチックからの混合物（ブレンド）は有利である。

隣接するオーバーフローによる摩耗に抵抗するため、殊に高い表面硬度を有するプラスチックが適当である。

リキッドクリスタルポリマーも適当である。

金属の場合、殊にアルミニウムおよびチタン、並びにこれらの金属の合金、および場合によりまたマグネシウム−合金も挙げられる。

表面構造化
稜線は高さ（Ｈ）の点で、０ｍｍ〜２ｍｍ未満の範囲にある極小を有する。有利に、この極小は０．００１〜１ｍｍの範囲内、殊に０．０１〜０．１ｍｍの範囲内にある。

稜線は高さ（Ｈ）の点で、０ｍｍを上回る〜２ｍｍの範囲にある極大を有する。有利に、この極大は０．００１〜１ｍｍの範囲内、殊に０．０１〜０．１ｍｍの範囲内にある。

この場合、極大は極小よりも常に大きい。有利に、極大は極小よりも少なくとも０．００１ｍｍ、殊に有利に少なくとも０．０１ｍｍ大きい。

稜線の高さは谷部に対して決定される。谷部が基準面にある場合、稜線の高さはそれに関連して変動する。理論的に、稜線が基準面に存在し、谷部が深部で変動し、それにより同様に変動する稜線の高さが生じることは可能である。０ｍｍの極小は谷部の平面に存在する。しかしながら有利に極小は０ｍｍを上回る。

極小および極大は、０．００５〜２０ｍｍ、有利に０．０５〜５ｍｍの範囲内の波長で重なり合って周期的に連続する。正弦状の波長の経過曲線は有利である。

隣接する稜線の列の間隔は、互いに、０．００２ｍｍ〜５ｍｍ、有利に０．００５〜０．５ｍｍ、殊に０．０２〜０．２ｍｍであり、その際、列間の谷部は平面状、アーチ状、または先細状に延びていてよい。有利に、稜線の列は優先方向で互いに平行に延びている。

横断面で台形またはくさび形の形の稜線は、１５〜７５度、有利に３０〜６０度、殊に３０〜４５度のくさび角（α、図１ｃ参照）を有する。台形またはくさび形の形の横断面は有利に対称であるが、しかしながら場合によりわずかにまたはより強度に非対称であってもよい。しかしながら台形またはくさび形の形の横断面が強度に非対称であることは流動技術的に問題があり、製造技術的に困難を伴って実現可能である。この場合、角（α）の対頂角（α’）は（α）とは異なるが、しかしながら同様に（α）のために記載された範囲内に存在するのが有利である。これにより機能に本質的な障害が生じない限り、横断面で台形またはくさび形の形の稜線からの移行形およびわずかな変形、並びにこの成形クラスの混合物を１つの表面で使用することも可能である。

稜線は付加的に横断面−ベース−幅（Ｂ）で周期的に変動し得る。

稜線は、その優先方向でまっすぐに延びていてもよいし、横に、優先方向の周囲で、有利に正弦状に変動して延びていてもよい。優先方向の周囲で横に変動する稜線の経過曲線の場合、横変動の波長は０．００５〜２０ｍｍ、有利に０．００１〜１０ｍｍ、殊に０．０１〜１ｍｍであってよい。

稜線のくさび角（α）は列に対して有利に一定である。

稜線に隣接する列の高所部の周期的な変動は有利に交互に、殊に有利に波長の半分だけ、殊に正弦状波長の半分だけ、互いにずれている。これは、不所望の共振振動および／または音響振動の発生が明らかに減少されるという利点を有する。

本発明にもとづき、本発明において説明された表面構造物が、明白に記載された方法ではなく、その機能を本質的に変更することなくなお多様に変更されてよいことは当業者にとって明白である。このような変更は本発明に含まれると見なされるべきである。

製造法
固体または相応する成形体の製造は、１次成形法、再成形法、砥粒加工または溶着技術、例えばエンボス法、切削加工、鋳造、射出成形、高エネルギー照射（例えばレーザー照射）、フォトエッチング技術等での微細構造の形成により可能である。

プラスチックの場合、重合性混合物、例えば重合開始剤を含有するメチルメタクリレートとポリメチルメタクリレートとからのシロップ状物が１次成形体へと形成される方法が適当である。これは、例えば不都合に形成された微細構造を有するガラスプレートであってよい。

熱可塑性樹脂の場合、例えば押出成形されたシートまたはフィルムは、その上に不都合に形成された微細構造を備えて、エンボスロール、有利に金属ローラを介して導かれてよい。

有利に同時押出法が適用されてよく、その際、微細構造物は型押しされて容易にエンボス加工可能な層となり、一方でその下方に存在するプラスチック層は本質的に担持機能を果たす。ＥＰ−Ａ６５９５３１にはマクロ構造物の型押しのための相応する同時押出法が記載されているが（フレネルレンズ）、しかしながらこれは原理的に当業者の慣例の範囲へと適合させた後、微細構造物のためにも適当である。

使用
本発明による固体は、航空機、船舶または地上用車両の表面上の空気または水の流れの摩擦の低下のための摩擦低下表面を有する構造要素として、または導管または容器中で迅速に流れる流体における流体の流れの摩擦低下のための導管および容器として、保護する価値のある表面上の汚染物の付着低減のために、抗菌性表面として、光屈折表面として、および／または拡散性光散乱表面として、反射防止表面として使用されてよい。

有利な流動技術的特性に加え、視覚的効果、触覚的効果、接着効果および／または熱力学的効果が技術的に達成されることもでき、これらの効果は有利にプラスチック半製品またはプラスチック完成部分品のために、その表面上において必要とされる。

有利な作用
本発明は、本発明により構造化された表面上における、流動する流体または気体、殊に空気の摩擦のさらなる低下を必要とする記載された幾何学的寸法を、チャネル構造物または稜線の有利に正弦状の高所部の経過曲線および／または正弦状の側面の経過曲線によって改善することである。これにより局所的な微小渦が生じ、この微小渦は十分に一定のままであり、かつ通過して流れる流体に対して改善された境界層を形成し、この境界層において、摩擦を誘導する剪断応力がより良好に低減され得り、それにより表面上への流体または気体の抑制(bremsend)摩擦作用が低下される。

構造の、公知の幾何学的寸法に対する比較的より大きな不規則性に基づき、有害な共振振動の発生は同様に明らかに低下される。汚染物を施与した場合、局所的な上昇部（正弦稜線の極大）は表面の完全な湿潤に対する摩耗または抵抗のための作用点を提供し、それにより汚染物層の凝集構造が破壊され、これは汚染物の島状物へと分解され、この島状物の方においては、急勾配の稜線の側面に基づき、容易に洗い落とされることができる。これにより、自浄効果が達成される。

例えば塗布されるか、同時押出されるかまたはベース材料中に導入され得る殺生効果を有する薬品を用いた表面の仕上げの際、表面の拡張により全体的に薬品の作用が促進され、一様な構造と比較して改善されている。

光学的特性：本発明による構造物は、表面上の光反射を低下させる。さらに、光屈折および表面からの放射線の逆放出(Wiederaustritt)により、殊に装飾的な色彩効果および光効果が生じ、この場合この表面は透明から半透明、および澄明または着色されたプラスチックから製造され得る。構造化された表面は殊に良好なグリップを有する保持を提供し、それというのも、稜線の突出部は、皮膚、テキスタイル布地、皮革等において、局所的に突出した突出部を有しない平面構造よりも局所的により深く押し込まれ得るからである。

本発明による構造物は、非晶質プラスチック、部分結晶質プラスチック、架橋されたおよび架橋されていないプラスチックから、金属および低融点ガラスから、１次成形、再成形されて製造されてもよいし、切削加工または高エネルギー照射により、十分に平面状の表面から製造されてもよい。

稜線の高所部において、約６０°の一定のくさび角（α）を有するくさび形の形の微細構造物と先細谷部との正弦状に変動する平行の列を有する、押出成形されたプラスチックシートからなる一部分の上方からの概略図。

図１ａの横断平面Ａ−Ａ、Ｂ−ＢおよびＣ−Ｃを示す概略図。

横断面で、記載された高さ（Ｈ）、横断面−ベース−幅（Ｂ）およびくさび角（α）を有する、対称的な台形異形成形体（左）および対称的なくさび形異形成形体（右）を有する稜線を示す概略図。

符号の説明

α くさび角
Ｂ 横断面−ベース−幅
Ｈ 稜線の高さ

Claims (8)

1. 横断面で台形またはくさび形の形の稜線の優先方向に配向された列を有する微細構造化表面を少なくとも部分的に有する、プラスチック、ガラス、セラミックまたは金属からなる固体において、
   稜線は高さ（Ｈ）の点で０ｍｍ〜２ｍｍの範囲内にある極小および極大を有し、かつ
   この極小および極大は０．００５〜２０ｍｍの範囲内の波長で周期的に重なり合って連続しており、かつ
   隣接する稜線の列の間隔は相互に０．００２ｍｍ〜５ｍｍであり、その際、列間の谷部は平面状または先細状に延びていてよく、かつ
   横断面で台形またはくさび形の形の稜線は２０〜６０°の範囲内のくさび角（α）を有する
   ことを特徴とする固体。
2. 稜線が付加的に横断面−ベース−幅（Ｂ）で周期的に変動している、請求項１記載の固体。
3. 稜線のくさび角（α）が列に対して一定である、請求項１または２記載の固体。
4. 稜線が、０．００５〜２０ｍｍの横変動の波長で、優先方向の周囲で横に変動する経過曲線を有する、請求項１から３までのいずれか１項記載の固体。
5. 稜線に隣接する列の高所部の周期的な変動が交互に互いにずれている、請求項１から４までのいずれか１項記載の固体。
6. 稜線に隣接する列の高所部の変動がそれぞれ波長の半分だけ互いにずれている、請求項５記載の固体。
7. 請求項１から６までのいずれか１項記載の固体の製造法において、公知の方法で、１次成形法、再成形法、砥粒加工または溶着法、殊にエンボス法、切削加工、鋳造、射出成形、高エネルギー照射および／またはフォトエッチング技術により微細構造を形成することを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の固体の製造法。
8. 航空機、船舶または地上用車両の表面上の空気または水の流れの摩擦の低下のための摩擦低下表面を有する構造要素としての、または導管または容器中で迅速に流れる流体における流体の流れの摩擦低下のための導管および容器としての、保護する価値のある表面上の汚染物の付着低減のための、抗菌性表面としての、光屈折表面としての、および／または拡散性光散乱表面としての、反射防止表面としての、請求項１から６までのいずれか１項記載の固体の使用。

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