JP2010006024A

JP2010006024A - 高撥水性或いは超撥水性材料及びその製造方法

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Publication number: JP2010006024A
Application number: JP2008171449A
Authority: JP
Inventors: Gochin Shu; 豪慎周; Yarong Wang; 雅蓉王; Eiji Hosono; 英司細野
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2028-06-30
Also published as: JP5177652B2

Abstract

【課題】安価な有機素材を基材とする全体が均一でフッ素樹脂以上の撥水性を有する高撥水性或いは超撥水性材料、及び該高撥水性或いは超撥水性材料を簡単な工程で効率良く低コストで製造する方法を提供する。
【解決手段】処理前の基材表面の水との接触角が８０°以上である有機素材からなる基材の表面に、熱転写により形成された１００〜８０００メッシュの網目模様を形成することにより、水との接触角が１２０〜１７０°である高撥水性或いは超撥水性材料を製造する。
前記網目模様は、線径が１〜１００μｍで、目開きが０．１〜１００μｍの金網を直接有機素材からなる基材の表面に熱転写することが好ましい。
【選択図】図６

Description

本発明は、水との接触角が１２０〜１７０°である高撥水性或いは超撥水性材料及びその製造方法に関する。

従来、撥水性の表面を作製する方法としては、（１）材料の表面エネルギーを低くすること、（２）材料の表面に凹凸構造を形成すること、が知られている。（１）の方法としては、例えば熱可塑性樹脂からなる基材の表面にフッ素系化合物類をコーティングする方法がよく知られているが、フッ素系化合物からなる表面の水との接触角は最大でも１１０°程度である。したがって、この表面よりも高撥水性、或いは超撥水性の表面を作製するには、(２)の凹凸構造を形成することが必要となる。

金属やガラス等の基材表面にエッチング法、サンドブラスト法、フォトリソグラフィー法等により微細な凹凸模様を形成し、フッ素系化合物或いはフッ素樹脂を被覆することによって撥水性の表面を作製することは、種々提案されている。（例えば、特許文献１〜３参照）
特開平４−２８８３４９特開平１０−２４４９９７７ＷＯ００／５０２３２

しかしながら、これらの特許文献に記載された技術は、マスキングや薬品による前処理、エッチング等の複雑な工程を組み合わせて基材表面に微細な凹凸模様を形成した後に、撥水性の被膜を被覆するものであり、製造工程が煩雑となり製造コストが高くなると言う欠点があった。また、基材表面に大面積でサイズの揃った凹凸模様を形成することは極めて困難であり、得られる表面の撥水性にもムラがあるという問題があった。
一方、撥水性材料として公知のフッ素系化合物或いはフッ素系樹脂は高価であり、加工が困難であるという問題点がある。
したがって、安価な有機素材を用いて、簡単な工程で効率良く低コストで、しかも全体が均一な撥水性を有する高撥水性或いは超撥水性材料を製造する技術が求められていた。

したがって、本発明はこれら従来技術の問題点を解消し、安価な有機素材を基材とする全体が均一でフッ素樹脂以上の撥水性を有する高撥水性或いは超撥水性材料、及び該高撥水性或いは超撥水性材料を簡単な工程で効率良く低コストで製造する方法を提供することを目的とする。

本発明者等は鋭意検討した結果、処理前の基材表面の水との接触角が８０°以上である有機素材からなる基材の表面に、熱転写により形成された１００〜８０００メッシュの網目模様を設けることによって、水との接触角が１２０〜１７０°である高撥水性或いは超撥水性材料が得られることを発見し、本発明を完成させたものである。
すなわち、本発明は次の１〜８の構成を採用するものである。
１．処理前の基材表面の水との接触角が８０°以上である有機素材からなる基材の表面に、熱転写により形成された１００〜８０００メッシュの網目模様を設けたことを特徴とする、水との接触角が１２０〜１７０°である高撥水性或いは超撥水性材料。
２．前記網目模様が、有機素材からなる基材の表面に直接熱転写により形成されたものであることを特徴とする１に記載の高撥水性或いは超撥水性材料。
３．前記有機素材からなる基材が、ポリスチレン系樹脂であることを特徴とする１又は２に記載の透明性を有する高撥水性或いは超撥水性材料。
４．前記網目模様が、線径が１〜１００μｍで、目開きが０．１〜１００μｍの金網を熱転写することによって形成されたものであることを特徴とする１〜３のいずれかに記載の高撥水性或いは超撥水性材料。
５．処理前の基材表面の水との接触角が８０°以上である有機素材からなる基材を軟化温度以上に加熱し、表面に熱転写により１００〜８０００メッシュの網目模様を形成することを特徴とする、水との接触角が１２０〜１７０°である高撥水性或いは超撥水性材料の製造方法。
６．前記有機素材からなる基材が、ポリスチレン系樹脂であることを特徴とする５に記載の透明性を有する高撥水性或いは超撥水性材料の製造方法。
７．処理前の基材表面の水との接触角が８０°以上である有機素材からなる基材の表面に、線径が１〜１００μｍで、目開きが０．１〜１００μｍの金網を熱転写することを特徴とする５又は６に記載の高撥水性或いは超撥水性材料の製造方法。
なお、本発明においてメッシュとは、特に記載しない限り１インチの間にある横方向（一方向）の網目の数を意味するものとする。

本発明によれば、安価な有機素材を基材とする全体が均一でフッ素樹脂以上の撥水性を有する高撥水性或いは超撥水性材料を簡単な工程で効率良く低コストで製造することが可能となる。本発明の撥水性材料は、水との接触角が１２０〜１７０°と、極めて優れた撥水性と撥油性を有するとともに、耐久性にも優れたものである。したがって、例えば送電線や交通標識、建材といった着雪や着氷、曇り等を防止することが必要な部材を構成する材料として有用である。

本発明では、金網のような網をテンプレート（鋳型）として用い、軟化温度以上に加熱したフッ素樹脂基材の表面に、テンプレートを熱転写することによって表面に１００〜８０００メッシュ、好ましくは３００〜５０００メッシュの網目模様を形成し、水との接触角が１２０〜１７０°という高撥水性或いは超撥水性材料を製造するものである。
フッ素樹脂の１種であるポリテトラフルオロエチレン（商品名「テフロン」：登録商標）からなる薄膜の、水との表面接触角は約１０８°であるが、本発明で得られる高撥水性或いは超撥水性材料の水との接触角は１２０〜１７０°であり、フッ素樹脂以上の高撥水性或いは超撥水性と呼ばれる性状を示す。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について詳細に説明するが、以下の具体例は本発明を限定するものではない。
図１は、本発明の高撥水性或いは超撥水性材料を製造する方法の１例を説明するための模式図である。
この方法では、電熱ヒーター等の加熱手段（図示せず）を有するホットプレート１上に、テンプレートとなる金網２及びポリスチレン系樹脂のような有機素材からなる基材３を載置し、基材３の上方には空間を空けてコールドプレート４を配置する。次に、ホットプレート１上で基材３を加熱して軟化させるとともに、ホットプレート１及びコールドプレート４を矢印方向に接近させて型締めし、基材３及び金網２を加熱・加圧することによって、基材３の表面にテンプレートとなる金網２の網目模様を熱転写する。熱転写が終了すると、ホットプレート１及びコールドプレート４を矢印と逆方向に離間させて、基材３を金網２から剥離した後に、例えば水中で超音波洗浄することによって、表面に網目模様が熱転写により形成された高撥水性或いは超撥水性材料を得る。

基材３を構成する有機素材の種類に特に制限はなく、処理前の基材表面の水との接触角が８０°以上、通常は８０〜１１０°程度である有機素材であれば、いずれも使用することができる。好ましい有機素材としては、例えばポリスチレン、ポリスチレン共重合樹脂等のポリスチレン系樹脂；ポリエチレン、ポリプロピレン或いはこれらの共重合樹脂等のポリオレフィン系樹脂；ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン等の塩素系ビニル樹脂；アクリル系樹脂；シリコーン樹脂、スチレン・シリコーン共重合樹脂、アクリル・シリコーン共重合樹脂等のシリコーン系樹脂等が挙げられる。

テンプレートとなる網は、加熱加圧に耐える材料により構成されたものであればいずれも用いることができるが、通常は鉄、ステンレス等の金属により構成された、市販の金網を使用する。
このような金網の網目模様の織り方は特に制限はなく、平織金網（図２Ａ）、綾織金網（図２Ｂ）、綾畳織金網（図２Ｃ）、平畳織金網、複数綾織等、種々の市販品を使用することができる。

市販の金網の網目のサイズは、通常は１インチ（約２．５４ｃｍ）の間に通っている網目の本数を表す「メッシュ」により表示されるが、本発明では１００〜８０００メッシュ、好ましくは３００〜５０００メッシュの金網を使用して、基材の表面に同サイズの網目模様を熱転写により形成する。このような金網としては、金網を構成する線材の線径が１〜１００μｍで、目開きが０．１〜１００μｍのものを使用することが好ましい。
網目が１００メッシュより粗い場合には、目的とする高撥水性を有する材料を得ることが困難となり、一方８０００メッシュよりも細かい場合には、金網自体を入手することが困難であるとともに、熱転写の際に目詰まりを生じることがあり、有機素材からなる基材の表面に所望の網目模様を形成することができなくなる。
金網を用いた熱転写の回数は１回に限定されず、２回或いはそれ以上行うようにしてもよい。熱転写を複数回行う場合には、網目の粗い金網を使用して複数回の熱転写後に基材の表面に形成される網目模様が、所望の範囲のものとなるようにすることができる。

基材の加熱温度は、使用する樹脂の種類に応じて樹脂が軟化する温度を選択するが、例えばポリスチレン系樹脂では通常は６０〜１５０℃程度である。また、加圧時の圧力は適宜選択することができるが、通常は１〜１００ＭＰａ程度、好ましくは５〜５０ＭＰａ程度である。加熱・加圧時間は基材や金網の種類、サイズ等に応じて適宜選択するが、通常は１０〜２００秒程度、好ましくは２０〜１００秒程度である。

図３は、本発明の高撥水性或いは超撥水性材料を製造する方法の他の例を説明するための模式図である。
この方法では、ホットプレート１１上に有機素材からなる基材１３を載置し、ホットプレート１１上で基材１３を加熱して軟化させるとともに、表面に金網１２を取り付けたホットプレスロール１４を基材１３の表面に押しつけ、矢印方向に回転させることによって金網１２の網目模様をフッ素樹脂基材１３の表面に熱転写する。
この方法では、基材１３を加熱して軟化させるためにホットプレート１１を用いているが、ホットプレート１１に代えてコールドプレートを使用し、赤外線ヒーター（図示せず）等により基材１３の表面を直接加熱して軟化させるようにしても良い。また、ホットプレスロール１４内に加熱手段（図示せず）を設けて、加熱したホットプレスロール１４により基材１３を軟化させるようにすることもできる。そして、基材１３の形状は平板上のものに限られず、管状体の内面或いは外面のような曲面の表面に網目模様を形成することも可能である。

図４は、本発明の高撥水性或いは超撥水性材料を製造する方法のさらに他の例を説明するための模式図である。
この方法では、長尺状の基材１３をチェインローラーのような搬送手段１５の上に載置して点線矢印方向に移動させながら、コールドプレート２１及び表面に金網１２を取り付けたホットプレスロール１４を用いて基材１３を加熱・加圧することにより、基材１３の表面に網目模様を熱転写する。基材１３の表面は、ホットプレスロール１４の手前に設置した赤外線ヒーター等の加熱手段１６により、予め加熱軟化させることが好ましい。また、ホットプレスロール１４内に加熱手段（図示せず）を設けて、加熱したホットプレスロール１４により基材１３を軟化させるようにすることもできる。この方法によれば、長尺状で大面積の基材１３の表面に連続的に網目模様を熱転写することが可能となる。

次に実施例により本発明をさらに説明するが、以下の具体例は本発明を限定するものではない。
（実施例１）
市販のステンレス製の３００メッシュ（１インチの間の横線の数を表す）で、線径が縦横ともに４０μｍで、目開きが４５μｍの平織金網をテンプレートとして使用し、図１に記載の方法により、厚さ０．１３ｍｍのポリスチレンシートからなる基材の表面に、ホットプレート１の温度１２０℃、コールドプレート４の温度２５℃、圧力１０ＭＰａで、加熱・加圧時間を３０秒として、網目模様を熱転写した。
熱転写前のポリスチレンシート表面の水との表面接触角の映像を図５に、また網目模様を熱転写した表面の水との表面接触角の映像を図６の左側に示す。熱転写前のシート表面の水との接触角（図中ＣＡ(Contact Angle)で示す）は約９６°であるが、熱転写後の表面の水との接触角は１２６−１３３°となり、撥水性が大幅に向上した。

（実施例２）
実施例１と同様にして、ステンレス製の６３５メッシュの綾織金網（市販品）をテンプレートとして使用し、図１に記載の方法により、実施例１と同じ厚さ０．１３ｍｍのポリスチレンシートからなる基材の表面に、ホットプレート１の温度１２０℃、コールドプレート４の温度３０℃、圧力１０ＭＰａで、加熱・加圧時間を３０秒として、網目模様を熱転写した。
網目模様を熱転写した表面の水との表面接触角の映像を図６の右側に示す。熱転写後の表面の水との接触角は１３０−１３５°となり、撥水性が大幅に向上した。

本発明の高撥水性或いは超撥水性材料を製造する方法の１例を説明するための模式図である。金網の網目模様の織り方を説明する図である。本発明の高撥水性或いは超撥水性材料を製造する方法の他の例を説明するための模式図である。本発明の高撥水性或いは超撥水性材料を製造する方法の他の例を説明するための模式図である。実施例１で使用した熱転写前のポリスチレンシート表面の水との表面接触角の映像である。実施例１及び２で網目模様を熱転写したポリスチレンシート表面の水との表面接触角の映像で、左側は実施例１そして右側は実施例２の映像である。

符号の説明

１、１１ホットプレート
２、１２金網
３、１３基材
４、２１コールドプレート
１４ホットプレスロール
１５チェインローラー
１６赤外線ヒーター

Claims

処理前の基材表面の水との接触角が８０°以上である有機素材からなる基材の表面に、熱転写により形成された１００〜８０００メッシュの網目模様を設けたことを特徴とする、水との接触角が１２０〜１７０°である高撥水性或いは超撥水性材料。
前記網目模様が、有機素材からなる基材の表面に直接熱転写により形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の高撥水性或いは超撥水性材料。
前記有機素材からなる基材が、ポリスチレン系樹脂であることを特徴とする請求項１又は２に記載の透明性を有する高撥水性或いは超撥水性材料。
前記網目模様が、線径が１〜１００μｍで、目開きが０．１〜１００μｍの金網を熱転写することによって形成されたものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高撥水性或いは超撥水性材料。
処理前の基材表面の水との接触角が８０°以上である有機素材からなる基材を軟化温度以上に加熱し、表面に熱転写により１００〜８０００メッシュの網目模様を形成することを特徴とする、水との接触角が１２０〜１７０°である高撥水性或いは超撥水性材料の製造方法。
前記有機素材からなる基材が、ポリスチレン系樹脂であることを特徴とする請求項５に記載の透明性を有する高撥水性或いは超撥水性材料の製造方法。
処理前の基材表面の水との接触角が８０°以上である有機素材からなる基材の表面に、線径が１〜１００μｍで、目開きが０．１〜１００μｍの金網を熱転写することを特徴とする請求項５又は６に記載の高撥水性或いは超撥水性材料の製造方法。