JP2007077201A

JP2007077201A - 超撥水構造の形成方法

Info

Publication number: JP2007077201A
Application number: JP2005264154A
Authority: JP
Inventors: Akira Tanaka; 顯田中; Takao Nakamoto; 隆男仲本
Original assignee: SWCC Showa Cable Systems Co Ltd
Current assignee: SWCC Corp
Priority date: 2005-09-12
Filing date: 2005-09-12
Publication date: 2007-03-29

Abstract

【課題】特殊な設備や技術を必要とせず、簡便かつ安価な方法で、表面に微細な凹凸構造を形成し、超撥水性を発現させる。
【解決手段】本発明の超撥水構造の形成方法は、基材ポリマーに撥水性樹脂の微粒子を混合・分散させてなる複合材料を、シート状などの所定の形状に成形する工程と、この工程で得られた成形体表面の基材ポリマーを、この基材ポリマーのみを選択的に溶解する溶剤により溶解し、成形体表面の撥水性樹脂微粒子を露出させ、撥水性樹脂微粒子の突起を形成する工程を備えている。内周面に微細な凹凸を有する型を使用して成形体を形成することにより、より優れた超撥水性を実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、超撥水構造の形成方法に係り、さらに詳しくは、屋外使用する各種分野の製品に使用することができる超撥水性の表面構造を形成する方法に関する。

屋外で使用される電力部品、電線・ケーブル、屋根、外壁などの建築材料、レインコート、靴などの衣類、テントなどのアウトドア用品には、雨水その他による汚染やごみ、埃の付着の防止、性能向上などのために、撥水性表面の開発および撥水性能向上が求められている。

一般に、撥水性は膜（固体）の表面と水滴（液体）との接触角で評価され、膜表面の撥水性が高いほど接触角が大きくなる。通常、水滴との接触角が約１１０°のものを撥水性といい、水滴との接触角が１４０°以上のものは、超撥水性と呼ばれている。

従来から撥水性を持たせるために、基材の表面にフッ素系やシリコーン系などの撥水性の材料を塗布することが行われており、ＣＶＤ法により撥水性の化合物を表面に形成する方法も知られている。また、超撥水性を有する膜構造として、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を低分子化および微粒子化したものを金属メッキ浴に分散させることにより形成された、表面にフッ素濃度を高めた金属メッキ膜が知られている。

また、表面に微細な凹凸構造を形成することにより、撥水性を発現させる方法が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。特に特許文献２では、凹凸構造を有する膜表面を撥水性物質で被覆した超撥水性の構造が開示されている。

さらに、自然界にある蓮の葉構造を基にした超撥水構造も種々提案されている。蓮の葉は、撥水性の繊維による微細な凹凸構造が葉の表面にあり、水滴が付くと繊維（凹凸）間の空気で水滴が持ち上げられた形態となり、撥水性が発現される。このような構造を実現するために、２種類の大きさの凹凸を組合せたものが提案されている。例えば、繊維や薄膜の表面で２種類の樹脂を反応させて数μｍの凹凸を形成した後、セラミックス溶液に漬けてから乾燥させ、表面に数十ｎｍの微細な突起を形成した超撥水構造が開示されている。（例えば、特許文献３参照）

しかしながら、これらの撥水構造においては、以下に示す問題があった。すなわち、撥水性材料により表面を被覆したものは、一応の撥水効果は得られるが、より高い撥水性が求められていた。また、撥水性材料による塗布層は、基材との結合力が十分でないため、撥水性が長期間持続せず、表面を拭いたり水での洗浄を繰り返すと、塗布層が基材から剥離して撥水効果が消失してしまうという問題があった。さらに、ＣＶＤ法により撥水性被膜の形成は、コストが高くなるという問題があった。

またさらに、特許文献１、特許文献２あるいは特許文献３に記載された発明においては、使用できる基材や樹脂などの種類が限定されてしまうばかりでなく、超撥水構造の形成に特別な技術を必要とするという問題があった。
特開平０６−３０４８６７号公報特開平０６−２０００７４号公報特許第３５３３６０６号

本発明はこれらの問題を解決するためになされたもので、特殊な設備や技術を必要とせず、簡便かつ安価な方法で表面に微細な凹凸構造を形成し、超撥水性を発現させることができる超撥水構造の形成方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１記載の超撥水構造の形成方法は、基材ポリマーに撥水性樹脂の微粒子を混合・分散させてなる複合材料を所定形状に成形する成形工程と、前記成形工程で得られた成形体表面の前記基材ポリマーを、該ポリマーのみを選択的に溶解する溶剤により溶解し、前記成形体表面の前記撥水性樹脂の微粒子を突起状に露出させる工程を備えることを特徴としている。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の超撥水構造の形成方法において、成形工程で、内周面に微細な凹凸を有する型を使用して成形体を形成することを特徴としている。

請求請３記載の発明は、請求項２記載の超撥水構造の形成方法において、型の内周面に形成された凹凸が、撥水性樹脂微粒子の粒径よりも大きい径を有することを特徴としている。

請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の超撥水構造の形成方法において、撥水性樹脂がフッ素系樹脂であることを特徴としている。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項記載の超撥水構造の形成方法において、撥水性樹脂微粒子が１０〜１００ｎｍの粒径を有することを特徴としている。

本発明の超撥水構造の形成方法によれば、特殊な設備を必要とせず、簡便かつ安価な方法で、基材層の表面に撥水性樹脂からなる微粒子状の突起を形成することができ、水との接触角が１４０°以上という超撥水性を発現させることができる。

また、基材ポリマーの種類が限定されず、種々の選択が可能であるうえに、基材ポリマーからなる成形体の表面のみを選択的に溶解することにより撥水性樹脂微粒子を露出させているので、下地層に損傷などの影響を与えることがない。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る超撥水構造の形成方法の第１の実施形態を説明するための断面図である。

第１の実施形態においては、まず、図１（ａ）に示すように、基材をなすポリマー１に撥水性樹脂の微粒子２を加えて混合することにより分散させ、複合材料を調製する。

基材ポリマー１としては、後述する撥水性樹脂よりも、有機溶剤のような溶剤に溶解しやすく、かつこの撥水性樹脂の微粒子を保持できるものであれば特に種類は限定されず、一般の汎用ゴム、プラスチックなどを使用することができる。例えば、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、塩化ビニル樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリアミド樹脂、アラミド樹脂（芳香族系ポリアミド樹脂）、ポリイミド樹脂、アクリルブタジエンスチレン共重合体（ＡＢＳ）樹脂、アセタール樹脂、メチルペンテン樹脂などの熱可塑性樹脂、エポキシ樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、アルキド樹脂、ウレタン樹脂、不飽和ポリエステル硬化樹脂、エボナイトなどの熱硬化性樹脂、ブタジエン−スチレンゴム、ブチルゴム、ニトリルゴム、クロロプレンゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴムなどのゴムが挙げられる。

撥水性樹脂としては、一般に撥水性といわれている、固体と液体(水)との接触角θが９０°以上である樹脂が使用される。例えば、水との接触角が約９０〜１１０°のシリコーン樹脂や、水との接触角が約１１０°であるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を使用することができる。

このような撥水性樹脂の微粒子２の粒径は、１０〜１００ｎｍとすることが望ましい。粒径がこの範囲を外れる場合には、良好な撥水性が得られない。また、撥水性樹脂微粒子２の配合割合は、粒径によっても異なるが、前記基材ポリマー１の１００重量部に対して１〜２００重量部とすることが好ましい。撥水性樹脂微粒子２が基材ポリマー１中に均一に分散した状態で、微粒子間の間隔が粒子径の数倍以下、例えば２〜３倍になるように、配合量を調整することが望ましい。

次に、基材ポリマー１に撥水性樹脂微粒子２を混合・分散してなる複合材料を、所定形状例えばシート状に成形し、複合樹脂シートなどの成形体３を得る。成形方法としては、射出成形、押出し成形、圧縮成形、ブロー成形、注型などが挙げられる。基材ポリマー１の種類および撥水構造を形成する部位などに合わせて、好適する成形方法を選択することが望ましい。

次いで、図１（ｂ）に示すように、得られた成形体３の表面を、基材ポリマー１のみを選択的に溶解する溶剤（例えば、有機溶剤）により溶解処理する。溶解処理方法としては、浸漬、塗布（スプレー塗布、刷毛塗り）などの方法が用いられる。そして、成形体３表面の基材ポリマー１ａを、撥水性樹脂微粒子２の粒径の０．５〜１．０倍程度の深さまで溶解することにより、成形体３表面に分散して存在する撥水性樹脂微粒子２を露出させ、これら露出した撥水性樹脂微粒子２の突起を形成する。

溶剤としては例えば有機溶剤を使用することができ、基材ポリマー１と撥水性樹脂の種類に合わせて適宜選択することができる。基材ポリマーおよび撥水性樹脂の種類により、十分な選択的効果が得られない場合には、溶剤として超臨界水または亜臨界水を使用してもよい。なお、溶剤の種類により、基材ポリマーの溶解処理に要する時間が決まるので、溶解処理時間が作業に適した十分な時間となるように、有機溶剤などの種類を選択することが望ましい。

こうして、図１（ｃ）に示すように、露出した撥水性樹脂微粒子２による突起が成形体３表面に形成される。このように、表面に撥水性樹脂からなるナノレベル（直径１０〜１００ｎｍ）の突起が形成された構造は、極めて優れた撥水性を示す。すなわち、撥水性樹脂微粒子２の突起の間（凹部）に空気の層が形成されるため、水に濡れにくく、水（水滴４）との間に１４０°以上と極めて大きな接触角が形成され、超撥水性を示す。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態においては、図２（ａ）に示すように、基材ポリマー１に撥水性樹脂微粒子２を混合・分散してなる複合材料を、内周面に微細な凹凸５ａが設けられた成形型５を用いて成形する。

成形型５としては、ステンレス製などの金型を使用することができる。成形型５において成形面の形状は、成形すべき成形体の形状に合わせて設計される。基材ポリマー１および撥水性樹脂微粒子２としては、第１の実施形態と同様なものを使用することができる。成形方法としては、射出成形、注型などが例示される。凹凸５ａの形状は、溝状あるいは穴（エンボス）状など特に限定されない。凹凸５ａの大きさ（直径など）は、凹部凸部ともに数μｍ程度（例えば１〜３μｍ）とすることが好ましい。凹凸５ａの配列も特に限定されないが、成形型５の内周面全体に均一に配設することが好ましい。このような凹凸５ａを形成するには、レーザ加工、プラズマエッチング、イオンビーム加工などの方法を採ることができる。

次に、図２（ｂ）に示すように、得られた成形体３を成形型から抜き外す。こうして、外周面に数μｍ程度の凹凸部６を有する成形体３が得られる。

その後、図３（ｃ）に示すように、成形体３の凹凸部６のある表面を、第１の実施形態と同様に、基材ポリマー１のみを選択的に溶解する溶剤により溶解処理し、撥水性樹脂微粒子２を表面に露出させる。こうして、成形体３の凹凸部６の表面にさらに撥水性樹脂微粒子２の突起が形成され、大小２種類の凹凸を持つフラクタルな表面構造が得られる。この構造は、第１の実施形態に比べて撥水性がより優れており、図３（ｄ）に示すように、水滴４との間の接触角がより大きな超撥水性を示す。

次に、本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

１８０℃に加熱したＰＶＣ１００重量部に、粒径２０〜３０ｎｍのＰＴＦＥ微粒子６０重量部を加え、均一に混練した後、この複合樹脂材料を成型装置により厚さ０．５ｍｍのシート状に成形した。

次いで、得られたＰＶＣ複合シートをＴＨＦ（テトラヒドロフラン）に浸漬し、表層（厚さ１０ｎｍ）のＰＶＣのみを選択的に溶解し、表層に分散・含有されたＰＴＦＥ微粒子を露出させた。

その後シートを水洗した。水洗中に水滴はシート表面で玉状になり、シートを傾けたところ、水滴はころころと転がり落ちた。接触角計を使用して、シートと水滴との接触角を測定したところ１４０°以上あり、シート表面が超撥水性を有することが確認された。

本発明に係る超撥水構造の形成方法の第１の実施形態を説明するための断面図である。本発明の第２の実施形態の前半の工程を説明するための断面図である。本発明の第２の実施形態を後半の工程を説明するための断面図である。

符号の説明

１…基材ポリマー、２…撥水性樹脂微粒子、３…成形体、５…成形型、６…凹凸部。

Claims

基材ポリマーに撥水性樹脂の微粒子を混合・分散させてなる複合材料を所定形状に成形する成形工程と、
前記成形工程で得られた成形体表面の前記基材ポリマーを、該ポリマーのみを選択的に溶解する溶剤により溶解し、前記成形体表面の前記撥水性樹脂の微粒子を突起状に露出させる工程を備えることを特徴とする超撥水構造の形成方法。
前記成形工程において、内周面に微細な凹凸を有する型を使用して成形体を形成することを特徴とする請求項１記載の超撥水構造の形成方法。
前記型の内周面に形成された凹凸が、前記撥水性樹脂微粒子の粒径よりも大きい径を有することを特徴とする請求項２記載の超撥水構造の形成方法。
前記撥水性樹脂がフッ素系樹脂であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の超撥水構造の形成方法。
前記撥水性樹脂微粒子が１０〜１００ｎｍの粒径を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の超撥水構造の形成方法。