JP5190346B2 - 超撥水フィルムの製造装置及びこれを利用した超撥水フィルムの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、親水性または疎水性液状ポリマーをキャタピラーの外面にキャスティングした後分離させることで、連続的な超撥水フィルムの製造を可能にした超撥水フィルムの製造装置及びこれを利用した超撥水フィルムの製造方法に関するものである。

撥水性は水との親和力が少ない性質である疎水性と一脈相通ずる性質を称えることで、日常生活でも観察することができる。例えば、蓮の花びらに水玉が落ちた時、葉が濡れず水玉が転んで落ちるようにすることは撥水性の典型的例である。

このような現象は、蓮の花びら表面に積もっていた異物を水玉とともにとり除くことで自己洗浄效果を誘発するが、研究者たちはこれを注意深く観察することで蓮の花びらの表面に数〜数十umの突起が形成されていることを発見し、更にこれらの突起の表面には数十〜数百nm大きさの突起が分布されていることを発見した。そして、このような突起は水に対して１４０°以上の接触角を持つということを究明するに至った。

参考に、空気は水に対する接触角が１８０°である。そして、１９３０年代に入ってはこのような自己洗浄效果と、表面に汚染物が吸着され難い特性を工学的に研究し始め、撥水性表面に対する研究が続いている。

このような研究の一環として、大韓民国公開特許公報１９９６-００３３５６２には「シリコンゴムの疎水性コーティング方法及び疎水性コーティング材」が開示されている。

そこには、シリコンゴムの表面をプラズマエッチング法で活性化改質させて親水性に修飾されたゴム表面を得て、修飾された表面にプライマー(接着力を増大させるための部材)処理をした後、疎水性を持つポリウレタンコーティング材をコーティングすることで、耐磨耗性、印刷性及びノンスリップ性が優れて感触が良い薄膜を有するシリコンゴムの表面を造成しようとする発明が開示されている。

しかし、前記のような構成を持つ従来技術では次のような問題点がある。

すなわち、プラズマエッチングを通じた被処理物表面の活性化と、活性化された被処理物表面のプライマー処理及びポリウレタンコーティング材コーティングなど、多様な工程を通じて被処理物は疎水性を持つようになるが、ポリウレタンコーティング材のコーティング工程では、コーティングの厚さを一定するように管理することが難しいという問題点がある。

また、前記した方法に適用可能な被処理物の大きさが制限性を持っており、大面積を持つ被処理物の疎水性処理には不向きで、不良率が増加するといった問題点がある。

それだけではなく、被処理物が疎水性を持つ材質に形成されたとしでも、必ずポリウレタンコーティング材をコーティングしなければならないので、製造原価が上昇を招き価格競争力が低下する問題点がある。

本発明は、親水性または疎水性液状ポリマーをキャタピラーの外面にキャスティングした後分離させることで、連続的な超撥水フィルムの製造が可能な超撥水フィルムの製造装置及びこれを利用した超撥水フィルムの製造方法を提供することを課題にする。

前記のような目的を果たすための本発明による超撥水フィルムの製造装置は、多数のローラー外周面に巻かれて連続的に回転するキャタピラーと、前記キャタピラーの外面にはメッキまたはレーザー加工によって粗面が形成されており、前記キャタピラーの上側に配置され、液状ポリマーを前記キャタピラー上面に供給するポリマー供給手段と、前記キャタピラー上面に供給された液状ポリマーの厚さを調節する厚さ調節手段と、厚さが調節された液状ポリマーを乾燥させて硬化したフィルムを形成するポリマー乾燥手段と、前記キャタピラーから分離した超撥水フィルムを巻取するフィルム分離手段と、前記ポリマー乾燥手段とフィルム分離手段の間に配置され、プラズマを利用してフィルムの下面に疎水性部材を噴射して疎水化する疎水部材噴射手段と、前記キャタピラーの下側に配置され、前記超撥水フィルムが分離されたキャタピラーの外面に残留するポリマー成分の異物を溶媒で洗浄する軌道洗浄手段と、前記軌道洗浄手段およびポリマー供給手段の間に配置され、前記キャタピラー上面に向けて、大気圧下でプラズマを発生させることで、洗浄されたキャタピラーの表面をキャタピラーの表面から超撥水フィルムが分離し易くなるように改質する表面改質手段を含み、前記キャタピラーから分離した前記液状ポリマーの下面に前記キャタピラーの粗面と対応した表面形状が形成されるように構成される。

前記キャタピラーの外面には、メッキ処理とプラズマ処理の中で一つ以上が実施されて粗面が形成される。

前記ポリマー乾燥手段は、前記液状ポリマーに熱を加える、或は紫外線を照射するように構成される。

本発明による超撥水フィルムの製造方法は、前記した超撥水フィルムの製造装置を利用した超撥水フィルムの製造方法であって、粗い面が形成されたキャタピラーを回転させて進行されるようにするキャタピラー進行段階と、ポリマー供給手段により前記キャタピラー上面に液状ポリマーを供給する液状ポリマー供給段階と、厚さ調節手段により前記キャタピラー上面に供給された液状ポリマーの厚さを調節する厚さ調節段階と、フィルム分離手段により前記液状ポリマーが乾燥されて形成された超撥水フィルムをキャタピラーから分離して巻取する超撥水フィルム分離段階と、前記液状ポリマー乾燥段階と超撥水フィルムの分離段階の間で、疎水部材噴射手段により前記液状ポリマー乾燥段階が完了したフィルムの下面に、大気圧下でプラズマを利用して疎水性部材を噴射するフィルム疎水化段階と、軌道洗浄手段により前記超撥水フィルムが分離されたキャタピラーの外面に残留するポリマー成分の異物を溶媒で洗浄するキャタピラー洗浄段階と、表面改質手段により前記キャタピラーにプラズマを発生させて表面をキャタピラーの表面から超撥水フィルムが分離し易くなるように改質するキャタピラー表面改質段階とを有し、前記超撥水フィルム分離段階において、前記キャタピラーから分離した前記液状ポリマーの下面に前記キャタピラーの粗面と対応した表面形状を形成して構成される。

前記液状ポリマー乾燥段階は、前記液状ポリマーに熱を加える、或は紫外線を照射して液状ポリマーを硬化させる過程である。

本発明の超撥水フィルムの製造装置及びこれを利用した超撥水フィルムの製造方法によれば、生産性が向上し、大面積の超撥水フィルムの連続的な製造が可能な長所がある。

以下、本発明による超撥水フィルムの製造装置の構成を添付された図１を参照して説明する。

図１には、本発明による超撥水フィルムの製造装置の構成を現わした概略図が図示されている。

図１に示しているように、超撥水フィルムの製造装置１００は、多数のローラー１１２外周面に巻取されて連続的に回転するキャタピラー１１０と、内部に液状ポリマーＭを収容して前記キャタピラー１１０上面に供給するポリマー供給手段１２０と、前記キャタピラー１１０上面に供給された液状ポリマーＭの厚さを調節する厚さ調節手段１３０と、厚さが調節された液状ポリマーＭを乾燥させるポリマー乾燥手段１４０と、前記ポリマー乾燥手段１４０によって乾燥されて形成された超撥水フィルムＦをキャタピラー１１０から分離するフィルム分離手段１５０と、前記超撥水フィルムＦが分離されたキャタピラー１１０の外面を洗浄する軌道洗浄手段１６０と、洗浄されたキャタピラー１１０の表面をキャタピラーの表面から超撥水フィルムが分離し易くなるように改質する表面改質手段１７０を含んで構成される。

前記キャタピラー１１０は、上面に供給された液状ポリマーＭの下面に粗面を形成させるためのものとして、メッキまたはレーザー加工によってパターンが形成されたストラップをニッケル(Ni)電鋳メッキして、この表面に酸素(O₂)、窒素(N₂)、空気及びフッ素含有ガスなどを大気圧下でプラズマ処理して形成される。

よって、前記キャタピラー１１０の外面は、液状ポリマーＭと接触時に液状ポリマーＭがより均一に広がるようにし、液状ポリマーＭとの親和力を低下させてキャタピラー１１０から超撥水フィルムＦの分離を容易くする。

そして、前記液状ポリマーＭは、疎水性(撥水性)を持つすべての液状のポリマーが適用可能であり、紫外線に対しての劣化を抑制するために耐紫外線成分が含まれる。

よって、前記液状ポリマーＭは、前記キャタピラー１１０の粗面と接触した後分離されると、前記液状ポリマーＭの一面は前記キャタピラー１１０の粗面と対応する表面形状を持つようになり超撥水性を持つようになる。

また、前記液状ポリマーＭは、親水性を持つ液状のポリマーも適用可能である。前記液状ポリマーＭが親水性を持つ場合、後述される疎水部材噴射手段１８０を選択的に作動させて、超撥水性を持つ超撥水フィルムＦを製造することもできる。

前記キャタピラー１１０の上面左側には、ポリマー供給手段１２０が前記キャタピラー１１０の上面に対し直立するように設置される。前記ポリマー供給手段１２０は内部が空いていて液状ポリマーＭが収容され、下部に行くほど断面積が減少し下端部にはノズル１２２が具備されていて、下方向に開口される。

よって、前記ポリマー供給手段１２０は、内部に収容された液状ポリマーＭをノズル１２２を通じてキャタピラー１１０上面に供給可能になる。

そして、図示されではないが前記ポリマー供給手段１２０のノズル１２２には、液状ポリマーＭの供給量を調節するための供給量調節手段が具備されることが望ましく、前記ノズル１２２の下端部の前/後方向の長さは、製造しようとする超撥水フィルムＦの幅と対応する。

前記ポリマー供給手段１２０の右側へと少し離隔された所には、厚さ調節手段１３０が具備される。前記厚さ調節手段１３０は、ポリマー供給手段１２０によってキャタピラー１１０上面に供給された液状ポリマーＭが右側方向に移動する時、干渉して液状ポリマーＭの厚さを調節するための構成である。

よって、前記厚さ調節手段１３０は、製造される超撥水フィルムＦの厚さに応じて上/下方向に移動し、超撥水フィルムＦの液状ポリマーＭの厚さ調節が可能になるように構成されることが好ましい。

そして、前記キャタピラー１１０上面に供給された液状ポリマーＭ全体の厚さを調節するために、前/後方向に長く形成されることが好ましい。

前記キャタピラー１１０の上面右側には、前記ポリマー乾燥手段１４０が具備される。前記ポリマー乾燥手段１４０は、液状ポリマーＭを乾燥させて超撥水フィルムＦを形成するためのものであって、加熱器を利用した乾燥が可能であり、紫外線を照射して液状ポリマーＭが硬化するように構成することも可能である。

そして、前記ポリマー乾燥手段１４０は、液状ポリマーＭを硬化させる時の硬化条件を制御して液状ポリマーＭの収縮率を調節することで、フィルム分離手段１５０による超撥水フィルムＦの分離がより容易くなるようにする。

前記キャタピラー１１０より右側へと離隔された所には、フィルム分離手段１５０が具備される。前記フィルム分離手段１５０は、中心を基準に時計方向に回転し、前記ポリマー乾燥手段１４０を通り製造された超撥水フィルムＦを巻取するものであり、前記キャタピラー１１０の移送速度と対応する回転速度で回転するように調節される。

よって、前記キャタピラー１１０外面に附着した状態で移動した超撥水フィルムＦは、前記フィルム分離手段１５０の外側に巻取されることでキャタピラー１１０から分離されて、連続的なシーツ模様を持つことができるようになる。

前記キャタピラー１１０の中央下側には、軌道洗浄手段１６０が具備される。前記軌道洗浄手段１６０は、フィルム分離手段１５０によって超撥水フィルムＦが分離されたキャタピラー１１０の外面に残留することがあるポリマー成分の異物をとり除くための構成であり、プラズマを発生させ、或は溶媒を利用して洗浄するようになる。

よって、前記キャタピラー１１０は、ローラー１１２をついて繰り返し回転しでも、異物が含まれない一定する高品質の超撥水フィルムＦが製造できる。

前記キャタピラー１１０の上側、より詳しくは前記ポリマー供給手段１２０から離隔された左側には、表面改質手段１７０が具備される。前記表面改質手段１７０は、キャタピラー１１０上面にプラズマを発生させて表面をキャタピラー１１０の表面から超撥水フィルムが分離し易くなるように改質するためのものであり、大気圧下でプラズマを発生させて、前記フィルム分離手段１５０から超撥水フィルムＦが分離される時、より容易く分離されるようにする。

一方、前記フィルム分離手段１５０の左側には、疎水部材噴射手段１８０が具備される。前記疎水部材噴射手段１８０は、大気圧下でプラズマを利用して疎水性部材を上方向に噴射することで、前記疎水部材噴射手段１８０によって噴射された疎水性部材は、前記フィルム分離手段１５０に巻取される前の超撥水フィルムＦの下面に附着する。

よって、前記超撥水フィルムの製造装置１００を利用して超撥水フィルムＦを製造時に、前記液状ポリマーが親水性を持っていでも、前記疎水部材噴射手段１８０によって超撥水フィルムＦの製造が可能になる。

以下、前記のように構成される超撥水フィルムの製造装置を利用した超撥水フィルムの製造方法を、添付された図２を参照して説明する。

［前記液状ポリマーＭが疎水性である場合］
先ず、超撥水フィルムを製造するための液状ポリマーＭをポリマー供給手段１２０に投入した状態で、前記ローラー１１２を回転させてキャタピラー１１０が進行されるようにするキャタピラー進行段階S１００が実施される。

同時に、前記ポリマー乾燥手段１４０、フィルム分離手段１５０、軌道洗浄手段１６０及び表面改質手段１７０は同時に作動するようになる。

前記キャタピラー進行段階S１００の以後、前記キャタピラー１１０上面には、ポリマー供給手段１２０に収容された液状ポリマーＭがノズル１２２を通じて供給される(液状ポリマー供給段階:S２００)。

より詳しくは、前記液状ポリマーＭが供給されたキャタピラー１１０の上面は、先立って軌道洗浄手段１６０によって異物が除去され、表面改質手段１７０によって、キャタピラー１１０の表面がキャタピラー１１０の表面から超撥水フィルムが分離し易くなるように改質された状態である。

その後、前記キャタピラー１１０上面に供給された液状ポリマーＭは、前記厚さ調節手段１３０の下端によって厚さが制御されて、より薄い厚さを形成しながら右側方向に移動するようになる(厚さ調節段階:S３００)。

前記厚さ調節段階S３００で厚さが調節された液状ポリマーＭは、前記ポリマー乾燥手段１４０の下側を通りながら乾燥される(液状ポリマー乾燥段階:S４００)。

前記液状ポリマーＭは、液状ポリマー乾燥段階S４００で乾燥されながら、下面(前記キャタピラー１１０の上面と接した面)にはキャタピラー１１０の上面と対応する粗面が形成される。

以後、前記超撥水フィルムＦは、フィルム分離手段１５０の外側に巻取されて前記キャタピラー１１０から分離されることで、超撥水フィルム分離段階S５００を経ることになる。

そして、前記超撥水フィルムＦが離されたキャタピラー１１０の下面は、左側方向に移動して前記軌道洗浄手段１６０を通るようになり、この時前記キャタピラー１１０の外面に付着した異物が除去されるキャタピラー洗浄段階S６００が進行される。

前記キャタピラー洗浄段階S６００を通りながら洗浄されたキャタピラー１１０には、表面改質手段１７０を通りながら表面がキャタピラー１１０の表面から超撥水フィルムが分離し易くなるように改質されるキャタピラー表面改質段階S７００が実施される。

前記した全ての段階が順次に進行された以後には、前記キャタピラー１１０が進行する過程の間、無限繰り返し過程を経ることになり、連続的な超撥水フィルムＦの製造が可能になる。

［前記液状ポリマーＭが親水性の場合］
前記液状ポリマーＭが疎水性である場合の超撥水フィルムの製造方法と順序は同一であるが、ただ、前記液状ポリマー乾燥段階S４００と超撥水フィルム分離段階S５００の間には、フィルム疎水化段階S４５０が更に具備される。前記フィルム疎水化段階S４５０は、疎水部材噴射手段１８０を作動させることで、液状ポリマー乾燥段階S４００まで完了した超撥水フィルムＦの下面に、疎水性部材を噴射してコーティングする過程である。

よって、前記フィルム疎水化段階S４５０が完了すれば、親水性を持った超撥水フィルムＦは疎水性を持つことができるようになる。

以下、本発明の超撥水フィルムの製造装置を利用した超撥水フィルムの製造方法の実施例を、添付された図３乃至図７を参照して説明することにする。

前記キャタピラー１１０の一面にメッキを実施して粗面を形成し、表面の粗さと形状をＡＦＭで測定した結果を図３に示している。

図３のように、キャタピラー１１０表面の中心線粗さは１５０nmを現わし、キャタピラー１１０表面に落とした水玉の接触角は１２０゜を成していた。

そして、前記キャタピラー１１０が適用された超撥水フィルムの製造装置１００を利用して製造された超撥水フィルムＦ表面の中心線粗さは、図４に示しているように１２１nmを現わし、前記超撥水フィルムＦには、メッキ面と超撥水フィルムＦを分離させる時、接着面においての密着力が高いので超撥水フィルムＦの表面が伸びたことから白く現れた。そして、前記超撥水フィルムＦ表面に水を落として接触角を測定した結果１１３゜を現わした。

前記キャタピラー１１０のメッキ面に、真空又は大気圧下でプラズマを発生させた後、酸素(O2)ガスを供給して表面を洗浄し活性化させた後、酸素(O2)ガスの供給を中断しCF、CF2、CF3のような疎水性物質をコーティングすることができるCHF3ガスを供給して、メッキ面表面を疎水処理した。

このように成形された超撥水フィルムＦの表面形状をＡＦＭで測定した結果は図５のようである。

すなわち、プラズマ処理されたキャタピラー１１０を適用して製作した超撥水フィルムＦの表面は、そうでない表面に比べてきれいな面を見せていることが分かる。

よって、プラズマ処理されたキャタピラー１１０の表面から超撥水フィルムＦを分離させることが、そうでない表面から超撥水フィルムＦを分離させるより容易いことが分かる。

前記液状ポリマーＭをHyflon素材で適用して、超撥水フィルムの製造装置を利用した超撥水フィルムの製造方法によって超撥水フィルムＦを製造した。

この時、超撥水フィルムＦの表面には、キャタピラー１１０の表面形状と対応されるように陰刻されて、図６のような状態を現わした。

そして、Hyflonで形成された超撥水フィルムＦの両面に対して、それぞれ水に対する接触角を測定した結果、キャタピラー１１０の表面と接触した表面は図７の左側写真のように１５０゜以上の接触角を現わし、反面キャタピラー１１０の表面と接触しない表面は９０゜の接触角を現わした。

よって、前記超撥水フィルムＦは、キャタピラー１１０の粗い表面によって粗く形成された面が、そうでない面より高い超撥水性を持つことが分かる。

このような本発明の範囲は、前記で例示した実施例に限定されるのではなく、前記のような技術範囲内で当業界の通常の技術者においては、本発明を基にする他の多い変形が可能であろう。

本発明による超撥水フィルムの製造装置の構成を現わした概略図。 本発明による超撥水フィルムの製造装置を利用した超撥水フィルムの製造方法を現わした順序図。 本発明による超撥水フィルムの製造装置の一構成であるキャタピラーの外面をメッキ処理で粗くした後拡大した写真。 図３に伝写された後分離された超撥水フィルムの外面を拡大した写真。 本発明による超撥水フィルムの製造装置の一構成であるキャタピラーの外面をメッキ及びプラズマで粗くした後形成された超撥水フィルムの外面を拡大した写真。 本発明による超撥水フィルムの製造装置を利用した超撥水フィルムの製造方法によって製造された超撥水フィルムの外面を拡大した写真。 図６の超撥水フィルムで粗面と平坦な面に対する水の接触角を現わした写真。

１００ 超撥水フィルムの製造装置
１１０ キャタピラー
１１２ ローラー
１２０ ポリマー供給手段
１２２ ノズル
１３０ 厚さ調節手段
１４０ ポリマー乾燥手段
１５０ フィルム分離手段
１６０ キャタピラー洗浄手段
１７０ 表面改質手段
１８０ 疎水部材噴射手段
Ｆ 超撥水フィルム
Ｍ 液状ポリマー
S１００ キャタピラー進行段階
S２００ 液状ポリマー供給段階
S３００ 厚さ調節段階
S４００ 液状ポリマー乾燥段階
S４５０ フィルム疎水化段階
S５００ 超撥水フィルム分離段階
S６００ キャタピラー洗浄段階
S７００ キャタピラー表面改質段階

Claims (4)

1. 多数のローラー外周面に巻かれて連続的に回転するキャタピラーと、
   前記キャタピラーの外面にはメッキまたはレーザー加工によって粗面が形成されていて、
   前記キャタピラーの上側に配置され、液状ポリマーを前記キャタピラー上面に供給するポリマー供給手段と、
   前記キャタピラー上面に供給された液状ポリマーの厚さを調節する厚さ調節手段と、
   厚さが調節された液状ポリマーを乾燥させて硬化したフィルムを形成するポリマー乾燥手段と、
   前記キャタピラーから分離した超撥水フィルムを巻取するフィルム分離手段と、
   前記ポリマー乾燥手段とフィルム分離手段の間に配置され、プラズマを利用してフィルムの下面に疎水性部材を噴射して疎水化する疎水部材噴射手段と、
   前記キャタピラーの下側に配置され、前記超撥水フィルムが分離されたキャタピラーの外面に残留するポリマー成分の異物を溶媒で洗浄する軌道洗浄手段と、
   前記軌道洗浄手段およびポリマー供給手段の間に配置され、前記キャタピラー上面に向けて、大気圧下でプラズマを発生させることで、洗浄されたキャタピラーの表面をキャタピラーの表面から超撥水フィルムが分離し易くなるように改質する表面改質手段とを含み、
   前記キャタピラーから分離した前記液状ポリマーの下面に前記キャタピラーの粗面と対応した表面形状が形成されるように構成したことを特徴とする、
   超撥水フィルムの製造装置。
2. 前記ポリマー乾燥手段は、前記液状ポリマーに熱を加えるか、或は紫外線を照射するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の超撥水フィルムの製造装置。
3. 請求項１または２に記載した超撥水フィルムの製造装置を利用した超撥水フィルムの製造方法であって、
   粗面が形成されたキャタピラーを回転させて進行されるようにするキャタピラー進行段階と、
   ポリマー供給手段により前記キャタピラー上面に液状ポリマーを供給する液状ポリマー供給段階と、
   厚さ調節手段により前記キャタピラー上面に供給された液状ポリマーの厚さを調節する厚さ調節段階と、
   前記厚さ調節段階で厚さが調節された液状ポリマーをポリマー乾燥手段により乾燥させる液状ポリマー乾燥段階と、
   フィルム分離手段により前記液状ポリマーが乾燥されて形成された超撥水フィルムをキャタピラーから分離して巻取する超撥水フィルム分離段階と、
   前記液状ポリマー乾燥段階と超撥水フィルムの分離段階の間で、疎水部材噴射手段により前記液状ポリマー乾燥段階が完了したフィルムの下面に、大気圧下でプラズマを利用して疎水性部材を噴射するフィルム疎水化段階と、
   軌道洗浄手段により前記超撥水フィルムが分離されたキャタピラーの外面に残留するポリマー成分の異物を溶媒で洗浄するキャタピラー洗浄段階と、
   表面改質手段により前記キャタピラーにプラズマを発生させて表面をキャタピラーの表面から超撥水フィルムが分離し易くなるように改質するキャタピラー表面改質段階とを有し、
   前記超撥水フィルム分離段階において、前記キャタピラーから分離した前記液状ポリマーの下面に前記キャタピラーの粗面と対応した表面形状を形成したことを特徴とする、
   超撥水フィルムの製造装置を利用した超撥水フィルムの製造方法。
4. 前記液状ポリマー乾燥段階は、前記液状ポリマーに熱を加える、或は紫外線を照射して液状ポリマーを硬化させることを特徴とする請求項３に記載の超撥水フィルムの製造装置を利用した超撥水フィルムの製造方法。