JP2008101053A - 耐摩耗撥水性構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】表面に撥水性を発現させるとともに、撥水機能の摩耗耐久性を著しく向上させた耐摩耗撥水性構造体、自動車用内外装用材料及び網戸を提供すること。
【解決手段】接触角が９０°以上の樹脂基材の表面に複数の凹部を設けて成り、凹部の直径Ｄが１２ｍｍ以下、隣接する凹部同士の間隔Ｌが２０μｍ以下である。樹脂基材の表面積を凹部の数で割った値をＡｍ２としたときに、Ａ／Ｄの値が１．０×１０−５ｍ２／ｍ以下である。
上記耐摩耗撥水性構造体を適用した自動車用内外装用材料である。
上記耐摩耗撥水性構造体を構成糸として適用した網戸であって、上記間隔Ｌを上記直径Ｄで除した値が、１．８以下、且つ網目の間隔が０．１〜２．０ｍｍである。
【選択図】なし

Description

本発明は、耐摩耗撥水性構造体、自動車用内外装用材料及び網戸に係り、更に詳細には、表面に撥水性を発現すると同時に、その撥水性の耐摩耗性能の向上を可能とする耐摩耗性撥水構造体、自動車用内外装用材料及び網戸に関する。

従来から、材料の表面に撥水性を発現させるために、水接触角が９０°以上の基材の表面に微細な突起を無数に配置する方法が提案されている。
具体例としては、図１に示すような、柱状微細突起群１を備えた機能性基板２とその製造方法が挙げられる（特許文献１参照。）。
特開２００４−１７０９３５号公報

特許文献１に記載の技術は、柱状の微細突起を無数に配列した機能性基板の製造方法に関するものであり、具体的には、直径５０ｎｍ〜０．５μｍ、高さ数μｍ〜数十μｍの撥水性材料から成る柱状突起物を２０ｎｍ〜１０μｍの間隔でシート上に配列した構成とすることにより、ベースとなる撥水性材料以上の撥水性を付与するものである。

しかしながら、この機能性基板は、耐摩耗性が要求されるような状況下で使用する場合には、柱状突起物が人の手や衣服等との摩擦によって、摩滅し、撥水性が長続きしないという問題点があった。また、図２に示すように、摩耗前は起立した状態の柱状突起物が、摩耗によって倒れて、微細構造が失われた状態となるという問題点があった。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、表面に撥水性を発現させるとともに、撥水機能の摩耗耐久性を著しく向上させた耐摩耗撥水性構造体、自動車用内外装用材料及び網戸を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、接触角が９０°以上の樹脂基材に所定の凹部を複数設けることにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の耐摩耗撥水性構造体は、接触角が９０°以上の樹脂基材の表面に複数の凹部を設けて成る耐磨耗性撥水構造体であって、
上記凹部の開口部形状の外接円の直径Ｄが１２μｍ以下、隣接する凹部同士の間隔Ｌが２０μｍ以下であることを特徴とする。

また、本発明の耐摩耗撥水性構造体の好適形態は、上記樹脂基材の表面積を上記凹部の数で割った値をＡｍ２としたときに、Ａ／Ｄの値が１．０×１０−５ｍ２／ｍ以下であることを特徴とする。

更に、本発明の自動車用内外装用材料は、上記耐摩耗撥水性構造体を適用したことを特徴とする。

更にまた、本発明の網戸は、上記耐摩耗撥水性構造体を構成糸として適用した網戸であって、
上記間隔Ｌを上記直径Ｄで除した値が、１．８以下、且つ網目の間隔が０．１〜２．０ｍｍであることを特徴とする。

本発明によれば、接触角が９０°以上の樹脂基材に所定の凹部を複数設けることとしたため、表面に撥水性を発現させるとともに、撥水機能の摩耗耐久性を著しく向上させた耐摩耗撥水性構造体、自動車用内外装用材料及び網戸を提供できる。

以下、本発明の耐摩耗撥水性構造体について詳細に説明する。なお、本明細書及び特許請求の範囲において、濃度、含有量、充填量などについての「％」は、特記しない限り質量百分率を表すものとする。

上述の如く、本発明の耐摩耗撥水性構造体は、接触角が９０°以上の樹脂基材の表面に複数の凹部を設けて成る。
また、上記凹部は、直径Ｄが１２ｍｍ以下、隣接する凹部同士の間隔Ｌが２０μｍ以下となるようにする。

このような構成により、耐摩耗性が要求されるような状況下でも撥水性が長期間持続することとなる。よって、これまで撥水性を付与できなかった部位、即ち人の手や衣服等との摩擦に暴露されるような部位にも優れた撥水性を付与しうる。

ここで、上記樹脂基材の材質としては、水接触角が９０°以上の樹脂であれば良く、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリパーフルオロオクチルエチルアクリレート、フッ化エチレンプロピレン共重合樹脂等のフッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン等が使用できる。

また、上記樹脂基材は、厚さ０．０５μｍ〜５０μｍの層を積層して成る積層体であることが好ましい。代表的には、１０〜１００層の樹脂層を積層して全体としての厚さを５０μｍ程度とした樹脂基材を使用することができる。
これにより、耐摩耗性の要求される環境下において、表層が摩耗されて剥離しても下から新しい層が現れ、凹部構造が維持されるために、撥水性が長期間維持しうる。また、摩耗された樹脂層の下から新たに出現する樹脂層の表面が平坦であるために、凹部構造の開口近傍の形状も摩耗前の状態が再現でき、撥水性能が高いレベルで維持されうる。

上述のように樹脂基材が積層構造であるときは、各層の層厚はより下層になるにつれて厚くなっていることが好ましい。
これにより、層厚が薄い為に相対的に剥離しやすい表層から順番に剥離することになる。

本発明の耐摩耗性撥水構造体の一例の概念図を図３に、当該耐摩耗性撥水構造体が積層構造である場合の断面概略図を図４に示す。
図３に示すように、上記耐摩耗性撥水構造体は、樹脂基材３に複数の凹部４を配設して成る。また、図４に示すように、上記耐摩耗性撥水構造体は、表面側から順にａ層、ｂ層、ｃ層を有する積層体であり、表層であるａ層が摩耗されて剥がれると下から新しくｂ層が現れ、凹部構造が維持されることとなる。即ち、ａ層の表面が摩耗される前の状態が左図であり、摩耗後にｂ層が現れた状態が右図である。このように、表面側が摩耗されても、順次下方にある層が現れるため、凹部構造が維持され、撥水性が持続されうる。
同様に図４の右図においても、表面が摩耗されてｂ層が剥がれても、ｂ層の下方にあるｃ層が現れるために、凹部構造が維持され、撥水性は長期間に渡って持続されうる。

なお、樹脂基材が層構造でない場合には、摩耗によって新たに出現する凹部構造の表面形状の再現性は、層構造である場合に比べて劣るが、凹部構造は維持されるので、撥水性能も維持されることは言うまでもない。即ち、樹脂基材が層構造である方が摩耗によって新たに出現する凹部構造の形状の再現性が良いので、撥水性能が高いレベルで維持されうる。

一方、本発明の耐摩耗性撥水構造体において、上記樹脂基材に配設された凹部は、基材表面の撥水性を向上させる観点から、直径Ｄが１２μｍ以下になるようにする。好ましくは、上記凹部の直径Ｄが０．２μｍ〜１０μｍであることがよい。なお、直径Ｄが１２μｍを超えるときは、撥水性が低下し、水滴が表面に付着してしまう。

また、隣接する凹部同士の間隔Ｌは、凹部形成による撥水性の向上効果を有効にするべく、２０μｍ以下になるようにする。好ましくは、同士の間隔Ｌが０．２μｍ〜１８μｍであることがよい。なお、間隔Ｌが２０μｍを超えるときは、撥水性が低下し、水滴が表面に付着してしまう。

更にまた、上記樹脂基材の表面積を上記凹部の数で割った値をＡｍ２としたときに、Ａ／Ｄの値が１．０×１０−５ｍ２／ｍ以下であることが好ましい。この理由を以下に示す。
通常の雨滴の落下速度は、４ｍ／ｓ程度であるが、円柱状の凹部構造を表面に複数配設した微細凹凸表面に雨滴が落下する場合、凹部構造の直径Ｄが大きくなると、雨滴の落下衝撃によって、円柱状の凹部構造の内部に雨滴が浸透するので、撥水性が低下し、表面が濡れる。
本発明の耐摩耗性撥水構造体においては、Ａ／Ｄの値を１．０×１０−５ｍ２／ｍ以下とすることによって、落下してきた雨滴が凹部構造内に浸透せず、落下着床した雨滴が表面で撥水性を維持するようになりうる。

例えば、水の接触角が１２０°である樹脂基材に直径１０μｍの円柱状の凹部構造を１１μｍ間隔で配設した場合は、Ａ／Ｄの値が１．０×１０−５ｍ２／ｍであるので、落下着床した雨滴は凹部構造内に浸透しにくく、表面の撥水性が維持されやすい。
一方、同様の円柱状凹部構造を２０μｍ間隔で配設した場合は、Ａ／Ｄの値が３．５×１０−５ｍ２／ｍと上記基準値より大きくなるので、落下着床した雨滴は凹部構造内に浸透しやすく、撥水性が低下して表面が濡れやすくなることがある。
また、水の接触角が１２０°である樹脂基材に直径１２μｍの円柱状の凹部構造を１４μｍ間隔で配置した場合は、Ａ／Ｄの値が１．４×１０−５ｍ２／ｍと上記基準値より大きくなるので、落下した雨滴は凹部構造内に浸透しやすく、撥水性が低下して表面が濡れやすくなることがある。

なお、かかる凹部構造は、樹脂基材の少なくとも一面に配設されていればよい。言い換えれば、上記樹脂基材が、例えば直方体などの多面体である場合は、撥水加工を施したい１以上の面に凹部を配設することができる。
また、上記凹部の形状は、代表的には、円柱状であるが三角形や四角形などの多角形状であってもよい。特に凹部底面が円形であることがよい。
更に、上記凹部は樹脂基材を貫通するように設けてもよい。このときは、開口を有する樹脂基材表面の双方に撥水性、撥水耐久性を付与することができる。

上述のような微細凹部構造の製造方法としては、幾つかあるが、一例としては樹脂多層フィルムを熱ナノインプリント法で成形する方法を挙げることができる。

以上説明した本発明の耐摩耗性撥水構造体は、板、フィルム、糸などに成形とし利用することが考えられる。代表的には、自動車用内外装用材料に適用することができる。具体的には、自動車の窓用網戸、リアランプ、ヘッドランプ等への利用が考えられる。
特に、網戸を構成する糸の表面を撥水性にするためには構成糸の表面の水の接触角は少なくとも１３０°程度にすることが必要である。よって、本発明の耐摩耗性撥水構造体を網戸に適応した場合、構成糸のＬ／Ｄの値が１．８以下であれば、落下着床した雨滴の接触角が１３５°以上となり、通風性を維持しながら、雨の浸入を防止することができる。また、網目の間隔は０．１〜２．０ｍｍであるとさらによい。

以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
樹脂基材としてポリパーフルオロオクチルエチルアクリレートを単層構造で使用し、その表面に直径Ｄが２．０μｍの円柱状の凹部構造を、凹部同士の間隔Ｌが２．２μｍとなるように配設し、本例の耐摩耗性撥水構造体を得た。
この構造体において、凹部構造を形成した面の表面積をその表面内にある円柱状の凹部構造の数で割った値をＡ［ｍ２］とし、円柱状の凹部構造の直径をＤ［ｍ］としたとき、Ａ／Ｄの値は２．１×１０−５［ｍ２／ｍ］であった。また、Ｌ／Ｄの値は１．１であった。

（性能評価）
以下の方法により各特性値を測定した。評価結果を表１に示す。
＜水滴の落下着床＞
高さ１ｍから５μＬの水滴を落下着床させたときの水滴の状態を観察した。
＜接触角＞
純水の液滴３．１μＬを水平なサンプル面上に静置したときの接触角を計測した。計測装置としては協和界面科学（株）製のＣＡ−Ｘ型接触角計を用いた。
＜摩耗による撥水性の劣化＞
実車のフロントウインドウにサンプルを取り付け、ワイパーで９万往復摩耗した前後の水接触角を測定した。

高さ１ｍから落下した水滴は本例の構造体表面でバウンドした。
また、初期の水接触角は１５１．１°と超撥水性を示し、摩耗によっても、撥水性はほとんど劣化しなかった。

（実施例２）
樹脂基材としてポリパーフルオロオクチルエチルアクリレートを層厚０．２μｍの２０層構造とし、その表面に直径Ｄが２．０μｍの円柱状の凹部構造を、凹部同士の間隔Ｌが２．２μｍとなるように配設し、本例の耐摩耗性撥水構造体を得た。
この構造体において、凹部構造を形成した面の表面積をその表面内にある円柱状の凹部構造の数で割った値をＡ［ｍ２］とし、円柱状の凹部構造の直径をＤ［ｍ］としたとき、Ａ／Ｄの値は２．１×１０−５［ｍ２／ｍ］であった。また、Ｌ／Ｄの値は１．１であった。

実施例１と同様の評価試験を行ったところ、高さ１ｍから落下した水滴は本例の構造体表面でバウンドした。
また、初期の水接触角は１５１．４°と超撥水性を示し、摩耗によっても、撥水性はほとんど劣化しなかった。単一層構造と比べると、多少劣化しにくい傾向が見られた。

（実施例３）
樹脂基材としてポリパーフルオロオクチルエチルアクリレートを下に行くほど層が厚くなる１２層構造とし、その表面に直径Ｄが２．０μｍの円柱状の凹部構造を、凹部同士の間隔Ｌが２．２μｍとなるように配設し、本例の耐摩耗性撥水構造体を得た。
この構造体において、凹部構造を形成した面の表面積をその表面内にある円柱状の凹部構造の数で割った値をＡ［ｍ２］とし、円柱状の凹部構造の直径をＤ［ｍ］としたとき、Ａ／Ｄの値は２．１×１０−５［ｍ２／ｍ］であった。また、Ｌ／Ｄの値は１．１であった。

実施例１と同様の評価試験を行ったところ、高さ１ｍから落下した水滴は本例の構造体表面でバウンドした。
また、初期の水接触角は１５１．３°と超撥水性を示し、摩耗によっても、撥水性はほとんど劣化しなかった。層厚一定の多層構造と比べると、多少劣化しにくい傾向が見られた。

（実施例４）
樹脂基材としてポリパーフルオロオクチルエチルアクリレートを単層構造とし、その表面に直径Ｄが１０μｍの円柱状の凹部構造を、凹部同士の間隔Ｌが１１μｍとなるように配設し、本例の耐摩耗性撥水構造体を得た。
この構造体において、凹部構造を形成した面の表面積をその表面内にある円柱状の凹部構造の数で割った値をＡ［ｍ２］とし、円柱状の凹部構造の直径をＤ［ｍ］としたとき、Ａ／Ｄの値は１．０×１０−５［ｍ２／ｍ］以下を満たすぎりぎりであった。また、Ｌ／Ｄの値は１．１であった。

実施例１と同様の評価試験を行ったところ、高さ１ｍから落下した水滴は本例の構造体表面でバウンドした。
また、初期の水接触角は１５１．２°と超撥水性を示し、摩耗によっても、撥水性はほとんど劣化しなかった。層厚一定の多層構造と比べると、多少劣化しにくい傾向が見られた。

（実施例５）
樹脂基材としてポリパーフルオロオクチルエチルアクリレートを単層構造とし、その表面に直径Ｄが２．０μｍの円柱状の凹部構造を、凹部同士の間隔Ｌが２．８μｍとなるように配設し、本例の耐摩耗性撥水構造体を得た。
この構造体において、凹部構造を形成した面の表面積をその表面内にある円柱状の凹部構造の数で割った値をＡ［ｍ２］とし、円柱状の凹部構造の直径をＤ［ｍ］としたとき、Ａ／Ｄの値は３．３×１０−６［ｍ２／ｍ］であった。また、Ｌ／Ｄの値は１．４であった。

実施例１と同様の評価試験を行ったところ、高さ１ｍから落下した水滴は本例の構造体表面でバウンドした。
また、初期の水接触角は１３７．５°と撥水性を示し、摩耗によっても、撥水性はほとんど劣化しなかった。

（実施例６）
樹脂基材としてポリパーフルオロオクチルエチルアクリレートを単層構造とし、その表面に直径Ｄが１０μｍの円柱状の凹部構造を、凹部同士の間隔Ｌが２０μｍとなるように配設し、本例の耐摩耗性撥水構造体を得た。
この構造体において、凹部構造を形成した面の表面積をその表面内にある円柱状の凹部構造の数で割った値をＡ［ｍ２］とし、円柱状の凹部構造の直径をＤ［ｍ］としたとき、Ａ／Ｄの値は３．５×１０−５［ｍ２／ｍ］であり、１．０×１０−５［ｍ２／ｍ］以下を満たさなかった。また、Ｌ／Ｄの値は２．０であり、１．８以下を満たさなかった。

実施例１と同様の評価試験を行ったところ、高さ１ｍから落下した水滴は本例の構造体表面で一部が濡れ広がり、バウンドしなかった。
また、初期の水接触角は１２７．８°と撥水性を示し、摩耗によっても、撥水性はほとんど劣化しなかった。

（実施例７）
樹脂基材としてポリパーフルオロオクチルエチルアクリレートを単層構造とし、その表面に直径Ｄが１２μｍの円柱状の凹部構造を、凹部同士の間隔Ｌが１９μｍとなるように配設し、本例の耐摩耗性撥水構造体を得た。
この構造体において、凹部構造を形成した面の表面積をその表面内にある円柱状の凹部構造の数で割った値をＡ［ｍ２］とし、円柱状の凹部構造の直径をＤ［ｍ］としたとき、Ａ／Ｄの値は２．６×１０−５［ｍ２／ｍ］であり、１．０×１０−５［ｍ２／ｍ］以下を満たさなかった。また、Ｌ／Ｄの値は１．６であった。

実施例１と同様の評価試験を行ったところ、高さ１ｍから落下した水滴は本例の構造体表面で一部が濡れ広がり、バウンドしなかった。
また、初期の水接触角は１３３．０°と撥水性を示し、摩耗によっても、撥水性はほとんど劣化しなかった。

（比較例１）
樹脂基材としてポリパーフルオロオクチルエチルアクリレートを単層構造とし、その表面に直径Ｄが１０μｍの円錐状の凸部構造を、凸部同士の間隔が１１μｍとなるように配設し、本例の撥水構造体を得た。

実施例１と同様の評価試験を行ったところ、高さ１ｍから落下した水滴は本例の構造体表面でバウンドした。
但し、摩耗前の水接触角が１５０．１°であったのに対して、摩耗後の水接触角は１２２．０°となり、摩耗によって、撥水性は著しく劣化していた。

以上説明したように、本発明好適形態である実施例１〜７の耐摩耗性撥水構造体は、表面に撥水性を発現するとともに、更に撥水性の摩耗耐久性が著しく向上していることがわかる。

柱状凸部構造を表面に有する従来の撥水構造体の一例を示す概略図である。 従来の撥水構造体の摩耗前後の状態を示す断面概略図である。 本発明の耐摩耗性撥水構造体の一例を示す概略図である。 本発明の耐摩耗性撥水構造体のの摩耗前後の状態を示す断面概略図である。

符号の説明

１ 柱状微細突起
２ 基板

Claims (10)

1. 接触角が９０°以上の樹脂基材の表面に複数の凹部を設けて成る耐磨耗性撥水構造体であって、
   上記凹部の開口部形状の外接円の直径Ｄが１２μｍ以下、隣接する凹部同士の間隔Ｌが２０μｍ以下であることを特徴とする耐摩耗性撥水構造体。
2. 上記樹脂基材は厚さ０．０５μｍ〜５０μｍの層を積層して成ることを特徴とする請求項１に記載の耐摩耗撥水性構造体。
3. 上記樹脂基材の層厚はより下層になるにつれて厚くなることを特徴とする請求項２に記載の耐摩耗撥水性構造体。
4. 上記凹部は上記樹脂基材の少なくとも一面に配設されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の耐摩耗撥水性構造体。
5. 上記凹部の形状が円柱であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の耐摩耗撥水性構造体。
6. 上記凹部が上記樹脂基材を貫通していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の耐摩耗撥水性構造体。
7. 上記樹脂基材の表面積を上記凹部の数で割った値をＡｍ^２としたときに、Ａ／Ｄの値が１．０×１０^−５ｍ^２／ｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の耐摩耗性撥水構造体。
8. 上記間隔Ｌを上記直径Ｄで除した値が、１．１以下であること特徴とする請求項１に記載の耐摩耗性撥水構造体。
9. 請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の耐摩耗撥水性構造体を適用したことを特徴とする自動車用内外装用材料。
10. 請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の耐摩耗撥水性構造体を構成糸として適用した網戸であって、
    上記間隔Ｌを上記直径Ｄで除した値が、１．８以下、且つ網目の間隔が０．１〜２．０ｍｍであることを特徴とする網戸。

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