JP3487888B2 - 撥水表面を有する固体およびその生成方法 - Google Patents
撥水表面を有する固体およびその生成方法Info
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Description
品の表面加工に利用する。例えば、傘、雨合羽、防水性
ビニールバッグなどの雨具、テーブル、盆、流し台など
の台所用品、おむつ、ナプキンなどの衛生品を覆うプラ
スチックフィルム、車用ワックス、道路標識などの掲示
板、農業用フィルム、光または磁気ディスク、携帯用オ
ーディオ・ビデオ機器などに利用するに適する。本発明
は、撥水表面を有する固体およびその生成方法に関す
る。
よって固体表面をコーティングするなど化学的処理によ
り撥水性を付与していた。それを効率的に行った具体例
として、特開平4−285199号公報に開示されてい
るポリテトラフルオロエチレンオリゴマー粒子を共析分
散した複合めっき皮膜を金属表面に形成する方法があ
る。
によって表面の撥水性が変化することは、たとえばA.
W.Adamsonの著書「Physical Chemistry of Surfaces
(John Wiley & Sons,New York )」などに記述があり、
その応用例として、特開平4−343764号公報に開
示されている布地表面にフッ素系化合物の凸状体を付加
する方法がある。
場合十分満足する撥水性を得ることが困難であるか、あ
るいは高価なフッ化物を密度高く大量に表面に付着させ
る必要があるという問題がある。
あって、表面に微細な多段凹凸構造をもつように固体表
面を処理し、より撥水性の高い表面を得ることができる
生成方法を提供することを目的とする。
いはその一部が撥水性物質で形成される固体およびその
生成方法に関するものであって、表面の少なくとも一部
に、大きい周期の凹凸が形成されその凹凸構造が前記周
期より小さい周期の凹凸構造を含む多段凹凸構造を有
し、その表面積増倍因子が5以上であることを特徴とす
る。前記多段凹凸構造は、その周期が1mm以下10n
m以上であることが望ましい。
期の凹凸構造が小さい周期の凹凸構造からなり、その小
さい周期の凹凸構造がさらに小さな周期の凹凸構造から
なるというように、二つ以上の異なる周期の凹凸から構
成された構造であり、フラクタル構造はその一例であ
る。その際、凹凸構造は近似的、確率的な意味で周期的
であればよい。
マーおよびジアルキルケトンの混合物を用いた融液成長
による方法により形成することが好ましい。
かな平面状の清浄表面を作ったときにその表面の液体に
対する接触角が90°以上になる物質であり、表面積増
倍因子とは、全ての凹凸に沿って計測した表面積(実表
面積)を1mm以下のスケールの凹凸を無視してならし
た平らな面の表面積で割った値である。慣用的に撥水性
という言葉を使用するが、本発明の対象は必ずしも水の
付着する表面に限定されるものでなく、アルコール、油
を含む液体と表面との接触角を増大させるために適用さ
れる。
面、固体−気体界面、気体−液体界面の三種類の界面の
界面張力のつりあいによって定まる。固体表面が微細な
多段凹凸構造をとり大きな実表面積をもつようになる
と、固体表面の単位切り出し面当りの界面エネルギは、
平らな表面のときと比べ表面積増倍因子倍だけ大きくな
る。そのために、固体−液体界面および固体−気体界面
は見かけ上、非常に大きな界面張力をもつことになる。
この界面張力の増加により平らな固体表面上とは異なる
界面張力のつりあいが多段凹凸構造表面上で生じ、液滴
の接触角の増加が導かれる。この際、液滴をなす液体は
水に限らず油などの任意の液体でよいが、特に水の場合
には撥水性の増加が得られる。
造と、その凹凸構造の上にさらに小さいいくつかの周期
の凹凸構造を複数段有する多段凹凸構造を形成し、その
表面積増倍因子が5以上になるようにすることにより、
撥水性をさらに向上させることができ、各種産業分野の
用品に適用することができる。
る。図1は本発明における多段凹凸構造の断面を示す
図、図2は本発明における多段凹凸構造の表面の状態を
示す斜視図である。
に、大きい周期の凹凸構造Aおよびその凹凸構造自体が
さらに小さい周期の凹凸構造Bで形成された多段凹凸構
造を有し、その表面積増倍因子が5以上である撥水表面
を有する。前記多段凹凸構造は、その周期が1mm以下
10nm以上に形成される。図1および図2に示す例
は、施削加工あるいは研削加工により形成されたもので
あるが、多段凹凸構造を形成するには他の方法を用いる
ことができ、例えば、集積回路製作に用いられている真
空蒸着、リソグラフィー、イオンビーム加工、プラズマ
加工などにより形成することが可能でありレーザ加工あ
るいは印刷技術によっても形成することができる。
濃度勾配、電磁場などの外部因子を制御することにより
自然発生させるものとして、電気分解、化学反応、微生
物反応などにより固体表面を溶解あるいは腐食させる方
法、電気分解や拡散律速凝集などにより固体表面に物質
を析出させる方法、微粒子凝集体を固体表面に付着させ
る方法、互いに非相溶な二種類の物質を混合し相分離を
進行させて二つの相が互いに入り組んだ相分離パターン
ができたときにどちらか片方の物質のみを溶出させる方
法、あるいは、アルキルケテンダイマーやジアルキルケ
トンなどのように融液あるいは溶液からの固化時に自然
に多段凹凸化するものを利用する方法などがある。特に
室温で固化時に自然に多段凹凸化するものは撥水塗料と
して用いることができる。
工により形成し、それに腐食などの方法により小さい周
期の凹凸構造を形成することもでき、前述の各方法で形
成した多段凹凸構造表面、あるいは蓮の葉の表面などの
自然界にすでに存在している多段凹凸構造表面から金属
やエポキシ樹脂などで金型を作成し、金型そのもの、あ
るいはその金型から作成した多段凹凸構造表面のレプリ
カを用いても形成することができる。
面が親水性物質でできている場合には、表面の全部ある
いは一部を撥水性物質でコーティングするか、多段凹凸
構造表面が撥水性物質でできている場合には、そのまま
用いるか、あるいはさらに高機能の撥水性物質で表面の
全部あるいは一部をコーティングすることによって撥水
表面として用いる。ここで、親水性物質とは、その物質
で滑らかな平面状の清浄表面を作ったときに、その表面
の水に対する接触角が90°以下になる物質のことであ
る。
表面積増倍因子の値は大きいほど撥水性が向上する。固
体表面上の液滴の接触角は、固体−液体界面、固体−気
体界面、気体−液体界面の三種類の界面の界面張力のつ
りあいによって定まる。固体表面が微細な多段凹凸構造
をとり大きな実表面積をもつようになると、固体表面の
単位切り出し面当りの界面エネルギは、平らな表面のと
きと比べ表面積増倍因子の倍数だけ大きくなる。その結
果、固体−液体界面および固体−気体界面は見かけ上、
非常に大きな界面張力をもつことになる。この界面張力
の増加のため、平らな固体表面上とは異なる界面張力の
つりあいが多段凹凸構造表面上で生じ、その結果、接触
角の増加、すなわち撥水性の増加がもたらされる。
定容積中での吸着にともなうガスの圧力変化から固体表
面に吸着したガスの量を求める容量法を用いて、例え
ば、液体窒素温度下で多段凹凸構造表面の窒素ガスの吸
着等温線を求める。この等温線の比較的低圧側のガスの
吸着量に対してB.E.T.(無限層吸着等温式)理論
を適用してガスの単分子吸着量を求める。この吸着量
と、ガス分子の吸着時の温度における分子占有断面積か
ら単位切り出し面あたりの実表面積すなわち表面積増倍
因子を求める(参考資料、慶伊富長著 吸着(共立出
版))。
円錐などからなる比較的単純な構造である場合には、表
面およびいくつかの断面の光学顕微鏡写真ならびに走査
型電子顕微鏡写真等から、1mm×1mmの切り出し面
あたりの実表面積S(mm2)を直接算出することがで
きる。このSが表面積増倍因子となる。
る。この試料は、縦2cm、横2cm、厚さ1cmの直
方体状のテフロン板のひとつの表面を図1に示すような
断面をもつ多段凹凸構造表面に切削加工したもので、そ
の表面は図2に示すようになる。これは、図3に示すピ
ッチamm、凸部幅bmm、深さcmmの櫛の歯状断面
をもつ一段目の凹凸面に、ピッチ0.1mm、深さ0.
2mmのV字型の二段目の凹凸面を形成した多段凹凸構
造となっている。この多段凹凸構造テフロン表面の蒸留
水に対する接触角を測定した。
略を示す。前述の試験試料1を光学式接触角計(協和界
面科学(株)製、CA−A型)の試料台2上に載置し、
液滴滴下用のシリンジ3に蒸留水を0.5cc入れ、シ
リンジ3の針の先に直径1mmの液滴4を作る。液滴4
と試験試料1の間を約1cmに保ち、シンリジ3に振動
を与えて針先の液滴4を試験試料1の上に落下させる。
液滴4を落下させた後、液滴4と試験試料1との間の接
触角(θ)を測定する。
を測定した実施例の結果を表1に示す。表面積増倍因子
が5以上となる試料では接触角θの大きい、良好な撥水
表面が得られている。
ロン試料を切削加工で作成し、その表面の蒸留水に対す
る接触角を同様にして測定した比較例を示したものであ
る。実施例と比べて接触角θが小さく、十分な撥水性が
得られていない。
る。この試料は、亜鉛めっき処理で、亜鉛イオンを含む
電解質溶液中に0.5〜2g/リットルのポリヒドロキ
シスチレンアミノメチル化物を酢酸中和して混合し、陰
極をなす金属板上に亜鉛とポリマーの複合体を共折させ
たものである。ポリマーのアミノ化度を0.3〜1.0
にし、複合体中にポリマーを0.01〜0.6重量パー
セント混入させることによって、めっき表面は10〜1
00μmの凹凸のなかに2〜5μmの針状構造をもつ多
段凹凸構造となる。水−メタノール混合溶液(体積比5
0:50)50ccにフッ素化モノアルキルフォスフェ
ート(CF3 (CF2 )7CH2 CH2 OPO(OH)2
)1gを溶解して、これにめっき処理した試験片を浸
せきすることで表面をフッ素コーティングし、その表面
の蒸留水に対する接触角を測定したところ、接触角14
0度〜160度の高撥水表面が得られた。
ポリヒドロキシスチレンアミノメチル化物を含有させな
い場合には陰極の金属板表面は平らな亜鉛めっき表面と
なるが、比較例としてその表面を同様にフッ素コーティ
ングし、その表面の蒸留水に対する接触角を測定したと
ころ接触角は110度〜120度であった。
び(b)はアルキルケテンダイマーおよびジアルキルケ
トンの混合物を用いた試料の製法の模式図および試料を
示す図である。この試料は、アルキルケテンダイマーを
撥水剤の母剤としジアルキルケトンを補助剤として、融
液から冷却固化されることにより得られたものである。
リン酸クロライド(東京化成(株)製、純度93.4
%)にトリエチルアミン(東京化成(株)製、純度99
%)を反応温度50℃の条件下で作用させ、反応が完結
した後、反応副生成物であるトリエチルアミン塩酸塩を
熱時ろ過することで除去し、トルエンを減圧下で蒸発さ
せることにより分子量533であるアルキルケテンダイ
マーが得られる。このアルキルケテンダイマーをn−ヘ
キサン(関東化学(株)製、特級)から再結晶を行うこ
とで純度95%以上、融点65〜67℃のアルキルケテ
ンダイマーが得られる。補助剤のジアルキルケトンに
は、ステアロン(東京化成(株)製、純度約80%)を
n−ヘキサンから再結晶して使用した。融点は86〜8
7℃である。
ジアルキルケトンの混合物を用いた。図5中、6は撥水
材を融解させるために、撥水材の融点以上まで加熱する
ことのできる加熱装置である。7は撥水材の支持体とし
て用いたガラス板(厚さ1mm、幅26mm、長さ76
mm)である。8は撥水材である。9は撥水材を加熱融
解後、10℃/hrで冷却した試験片である。このよう
に、撥水材を一度融解させた後に冷却固化させた場合、
その表面形状は、走査型電子顕微鏡(日立製S400
0)による観察では、直径10〜100μmの比較的大
きなスケールの凹凸と、さらにその凹凸構造自身が長さ
1〜10μmの比較的小さな鱗片状の凹凸から成ってい
ることがわかった。
つ撥水材の補助材であるジアルキルケトンの混合比を変
化させて、その表面の水の接触角の測定と表面形状の観
察を行った。
アルキルケトン混合物の混合比と、そのときの表面での
蒸留水の接触角、およびその表面形状の関係を表3に示
す。これによると混合比が95:5、90:10、8
5:15、80:20で接触角153°〜160°が得
られ、表面における凹凸も大きい周期で10〜100μ
m、小さい周期で10〜1μmの良好な段が形成された
多段凹凸構造が得られている。また、混合比85:15
のものについては、0.5mm〜0.8mmのさらに大
きな周期の凹凸が光学顕微鏡によって観察された。
ターナイフで削り、その表面を走査型電子顕微鏡(日立
製、S4000)で観察したところ凹凸構造は観察され
なかった。この凹凸構造を有さない試験片表面での水の
接触角を光学式接触角計(協和界面科学(株)製、CA
−A型)で測定したところ100〜115°であった。
1〕の超撥水表面を示す図(走査型電子顕微鏡:SEM
写真)図7はその面上の液滴を示したもので、液滴の形
状は完全に球状を保ち撥水性にすぐれているこがわか
る。図8はアルキルケテンダイマーによる切り出し平滑
面を示す図、図9はその面上の液滴を示したもので、
〔外2〕と低く、そのために液滴の形状は半球状とな
り、撥水性の悪さがわかる。
着剤を用いて作成し、その構造を転写した表面での接触
角の測定を行った。その試料は、30ccのビーカに酢
酸ビニル樹脂エマルジョン系接着剤を20cc入れ、そ
の中に蒸留水の接触角が160°〜174°である試験
片9を投入し、20トール減圧下で脱気処理を10分間
行い、常圧に戻してから酢酸ビニル樹脂エマルジョン系
接着剤を固化させた。樹脂が完全に固化した後、試験片
9のガラス面と撥水材の間をカッターナイフを用いて切
り放し、固化した樹脂に残り付着している撥水材は40
〜50℃のクロロホルムにて手早く洗い流した。これは
固化した樹脂を80℃まで加熱して樹脂表面に残った撥
水材を溶かし出してもよい。このようにしてできた、試
験片9とは逆の凹凸構造を持つ試験片の表面を走査型電
子顕微鏡(日立製、S4000)を用いて観察したとこ
ろ、その多段の凹凸構造はかなり細部まで転写されてい
た。この逆の凹凸表面構造を持つ試験片表面と蒸留水の
間の接触角を光学式接触角計(協和界面科学(株)製、
CA−A型)で測定したところ130〜140°であっ
た。
混合物を用いた試料の製法を示す模式図および試料を示
す図である。この試料は、撥水材として分子量の異なる
二種類のジアルキルケトンを用いて溶液から結晶を析出
させたものである。
(株)、純度80%)とパルミトン(東京化成(株)、
純度91%以上)の混合物を用いたもので、その混合比
は表4に示す。撥水材は0.5gをクロロホルム80c
cに溶かし、シャーレ10に入れる。また、試験片を得
るためにガラス板11をシャーレ10の底におく。この
状態から溶媒であるクロロホルムを12時間かけて蒸発
させて撥水材の結晶を析出させることで、試験片12を
得る。この試験片12の表面を走査型電子顕微鏡(日立
製、S4000)により観察したところ、試験片12の
表面構造は、直径10〜50μmの比較的大きな凹凸構
造から成っていることがわかった。また、この凹凸構造
自体も大きさ1μm程度の鱗片状の結晶の集まりである
ことがわかった。このようにしてできた多段凹凸構造を
持つジアルキルケトン系撥水材の表面での蒸留水の接触
角を光学式接触角計(協和界面科学(株)製、CA−A
型)により測定した。
触角156°および145°が得られ、表面における凹
凸も大きい周期で10〜50μm、小さい周期で10μ
m未満の良好な段が形成された多段凹凸構造が得られて
いる。
2の表面をカッターナイフで削り、その表面を走査型電
子顕微鏡(日立製、S4000)で観察したところ、凹
凸構造は観察されなかった。この凹凸構造を有さない試
験片表面での水の接触角を光学式接触角計(協和界面科
学(株)製、CA−A型)で測定したところ、100〜
110°であった。
積増倍因子の測定法により、表4中の混合比100:0
の試料と混合比50:50の試料について表面積増倍因
子を測定した。前者の試料は高撥水の得られていない平
滑表面であり、後者の試料は高撥水を実現した多段凹凸
構造表面である。
をサンプルセルに封入し、ガス吸着量測定装置(湯浅ア
イオニクス(株)製オートソーブ−1、クリプトンガス
使用)を用い実表面積を測定した。試験試料には片面に
のみジアルキルケトンが塗られており、他の面はガラス
面である。ガスの総吸着量からガラス面への吸着量分を
差し引き、ジアルキルケトン総切り出し面積80cm2
あたりの実表面積を測定した結果を表5に示す。また、
そこから計算される表面積増倍因子も同表中に示してあ
る。
は、実表面積103、表面積増倍因子1.3であるのに
対し、混合比50:50の試料では実表面積563、表
面積増倍因子7.0を示した。
トン表面上の液滴を示したもので、(a)に示す平滑表
面の場合は接触角104°で液滴の形状は半球状となる
のに対し(b)に示す多段凹凸表面の場合は、接触角1
53°でほぼ完全な球状になっている。図12は図11
(b)に示した多段凹凸構造をとったジアルキルケトン
の表面の状態を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した
図である。
体表面に大きい周期の凹凸構造および小さい周期の凹凸
構造を形成して多段凹凸構造にすることにより、雨具、
台所用品、衛生品、その他撥水を要求される機材、器
具、および産業用品の撥水性をさらに向上させることが
できる効果がある。
多段凹凸構造の断面を示す図。
多段凹凸構造の表面の状態を示す斜視図。
図。
構成および接触角を示す図。
およびジアルキルケトンの混合物を用いた試料の製法を
示す模式図および試料を示す図。
構造を示すSEM写真。
液滴を示す図。
を示す図。
の液滴を示す図。
ンの混合物を用いた試料の製法を示す模式図および試験
片を示す図。
る撥水表面上の液滴の状態を示す図。
を示すSEM写真。
合物 9、12 試験片 10 シャーレ A 大きい周期の凹凸構造 B 小さい周期の凹凸構造
Claims (2)
- 【請求項1】 表面の少なくとも一部に、大きい周期の
凹凸構造が形成されその凹凸構造が前記周期より小さい
周期の凹凸構造を含む多段凹凸構造を有し、その表面積
増倍因子が5以上であり、撥水材としてアルキルケテン
ダイマーとジアルキルケトンとを含み、その混合比をア
ルキルケテンダイマーが95から80、ジアルキルケト
ンが5から20とする撥水表面を有する固体。 - 【請求項2】 固体表面に融液成長により請求項1記載
の撥水表面を有する固体を生成する方法。
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JP33642493A JP3487888B2 (ja) | 1993-12-28 | 1993-12-28 | 撥水表面を有する固体およびその生成方法 |
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