JP6817068B2 - 液体含浸表面形成のためのスプレープロセスおよび方法 - Google Patents
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Description
[0001] 本出願は、2014年3月25日出願の「液体含浸表面形成のためのスプレープロセスおよび方法(Spray Processes and Methods for Forming Liquid Impregnated Surfaces)」と題された米国仮特許出願第61/969,971号の優先権および利益を主張し、その開示全体は参照により本明細書に組み込まれる。
[0057] いくつかの実施形態では、液体含浸表面100を、スプレーコーティングプロセスを用いて形成することができる。例えば、固体フィーチャ112および/または含浸液120を、スプレープロセスを用いて表面110上に堆積させることができる。スプレーコーティングプロセスを調節して、所望のテクスチャ、所望の表面粗さ、所望の光学的透明度、固体粒子の所望のサイズ、所望の粒子間空間、および/または液体含浸表面100の所望の厚みを実現できるようにしてよい。固体フィーチャ112を形成する固体粒子および/または含浸液120を、任意の噴霧器、例えば、SpriMagTM噴霧器、空気噴霧器、超音波スプレーコータ、熱スプレーコータ、プラズマスプレーコータ、電弧スプレーコータ、またはその他の任意の好適なスプレーコータを使用してスプレーコーティングすることができる。固体粒子には、本明細書に記載のいずれかの固体粒子が含まれてよい。いくつかの実施形態では、固体粒子を溶媒またはキャリア内に溶解して、スプレーコーティングに適した溶液を形成することができる。いくつかの実施形態では、固体粒子を好適な溶媒および/または含浸液120内に懸濁して、表面110上にスプレーコーティングされ得る固体懸濁液を形成することができる。いくつかの実施形態では、固体粒子を融解することができ、溶融状態の粒子を表面100上に直接スプレーコーティングすることができる。
[0095] この実施例では、容器の内側表面上で多重のスプレーコートを実施し、表面粗さが改善されたテクスチャ加工表面を形成した。まず、3%の蜜蝋を酢酸エチルに溶解することによって、固体粒子の溶液を調製した。SpriMagTMスプレーコータに、この固体粒子溶液を充填した。このスプレーコータを、第1のスプレーから第2のスプレー、およびそれ以降にわたって、所定時間のスプレー時に実質的に同一重量の固体粒子溶液を送達するように調整した。固体粒子溶液を、第1の8オンスの空のPETボトル(ボトル1)および第2の8オンスの空のPETボトル(ボトル2)上にスプレーコーティングした。ボトル1はボトル2と実質的に同一である。スプレーコーティングの前に、コーティングされていないボトル1およびボトル2のそれぞれの重量を計測した。まず、ボトル1の内側表面を、第1の所定時間にわたって固体粒子溶液でコーティングし、次いで、酢酸エチルが完全に蒸発するまで、約20秒間にわたって窒素流内で乾燥させた。単一のコーティングを含む、1回コーティングしたボトル1の重量を計測し、約0.04グラムであると確認した。次に、ボトル2の内側表面を、第1の所定時間と実質的に同一である第2の所定時間にわたって、同一の固体粒子溶液でコーティングした。スプレーコーティングしたボトル2を、約20秒間にわたって窒素流で乾燥させた。このプロセスを5度繰り返し、ボトル2上に5つのコートを得て、5回コーティングしたボトル2の重量が約0.20グラム、すなわち1回コーティングしたボトル1の重量の約5倍となるようにした。ボトル1およびボトル2の表面テクスチャを、干渉計(Taylor Hobson,CCI HD)を使用して分析し、2つのボトルの内側表面の粗さパラメータを確認した。図6に、ボトル1の1回コーティングされた表面の干渉法による画像を示し、図7に、ボトル2の5回コーティングした表面の干渉法による画像を示す。ボトル2の5回コーティングしたテクスチャ加工表面は、約36.8%の粗さパラメータ、および約22.2%の複雑性を有していた。対照的に、ボトル1の、単一コーティングを施したテクスチャ加工表面は、ボトル2の、多重コーティングを施したテクスチャ加工表面よりも実質的に低い、約12.3%の粗さパラメータ、および約9.6%の複雑性を有していた。
[0096] この実施例では、様々な噴霧空気圧で固体溶液をスプレーすることによって、容器の内側表面上にテクスチャ加工表面を形成した。3%の蜜蝋を酢酸エチルに溶解することによって、固体粒子の溶液を調製した。SpriMagTMスプレーコータに、この固体粒子溶液を充填した。このスプレーコータを、第1のコートから第2のコート、およびそれ以降にわたって、所定時間のスプレー時に実質的に同一重量の固体粒子溶液を送達するように調整した。6つの空の8オンスPETボトル、すなわちボトル1‐1、ボトル1‐2、ボトル2‐1、ボトル2‐2、ボトル3‐1、およびボトル3‐2の内側表面を、実質的に同重量の固体粒子溶液でスプレーコーティングした。ボトル1‐1および1‐2は噴霧空気圧30psiでコーティングし、ボトル2‐1および2‐2は噴霧空気圧60psiでコーティングし、ボトル3‐1および3‐2は噴霧空気圧90psiでコーティングした。これらのボトルを窒素内で20秒間乾燥させ、各ボトルのテクスチャ加工内側表面の粗さパラメータおよび複雑性を、干渉法イメージングを用いて測定した。その結果を、表1にまとめる。
[0098] これらの実験では、固体粒子溶液を容器の内側表面上にスプレーコーティングし、コーティングされた固体粒子溶液を様々な条件下で乾燥させた。乾燥条件には、周囲条件における乾燥、約50セルシウス度の温度への加熱、約10秒間、約20秒間、または約30秒間の強制窒素による乾燥が含まれていた。3%の蜜蝋を酢酸エチルに溶解することによって、固体粒子の溶液を調製した。SpriMagTMスプレーコータに、この固体粒子溶液を充填した。このスプレーコータを、第1のコートから第2のコート、およびそれ以降にわたって、所定時間のスプレー時に実質的に同一重量の固体粒子溶液を送達するように調整した。固体粒子溶液を、実質的に互いに同一である複数の8オンスPETボトルの内側表面上にスプレーコーティングした。ボトルをコーティングする前に、各ボトルを計量した。5つのボトルのセットを、以下に記載する各乾燥条件を用いて乾燥させた。
[0105] この実施例では、容器の内側表面上にスプレーコーティングする前に、固体粒子溶液を加熱した。以下に記載するように、2つの異なる手法を用いた。すなわち、1)予熱されたスプレーガンを使用して高温固体溶液をスプレーコーティングした;および、2)スプレーガンを使用して、純粋な溶融固体をスプレーした。
[00106] 酢酸エチル50mlに対して蜜蝋1.5グラムを加えることにより3%の蜜蝋の固体粒子溶液を調製し、この溶液を、蜜蝋固体1.5グラムが完全に溶けるまで加熱および撹拌した。この溶液を、ガラス広口瓶内で、約75セルシウス度に保った。SpriMagTMスプレーコータをアルミホイルで包み、スプレーコータのノズル付近に熱電対を配置して温度を監視した。スプレーガンを、約75セルシウス度に加熱した。8オンスの空のプラスチックボトルを、固体粒子溶液でコーティングする前に計量した。加熱された蜜蝋固体粒子溶液の広口瓶をスプレーコータと流体的に結合させ、高温固体粒子溶液をボトルの内側表面上にスプレーコーティングした。固体粒子コーティング上に10秒間窒素を吹き付け、残留溶媒を蒸発させた。次いで、コーティングしたボトルを計量し、コーティングしたボトルの内側表面の表面トポグラフィーを検討した。2つの実質的に同一の8オンスPETボトルであるボトル2およびボトル3を、上述したように固体粒子溶液でコーティングした。ボトル2は、約0.02グラムの固体粒子の堆積重量を有し、ボトル3は、約0.1グラムの固体粒子の堆積重量を有していた。図12Aおよび12Bに、加熱された固体粒子溶液でコーティングした後のボトル2およびボトル3の光学画像を示す。
[00109] 純粋な蜜蝋固体10グラムを、固体が完全に融解するまで加熱した。融解した蜜蝋を、ガラス広口瓶内で、約75セルシウス度で保温した。SpriMagTMスプレーコータをアルミホイルで包み、このスプレーコータのノズル付近に熱電対を配置して温度を監視した。スプレーガンを、約75セルシウス度に加熱した。8オンスの空のプラスチックボトルを、固体でコーティングする前に計量した。加熱された蜜蝋の広口瓶をスプレーコータへと流体的に結合させ、溶融蜜蝋をボトルの内側表面上にスプレーコーティングした。次いで、コーティングしたボトルを計量し、コーティングしたボトルの内側表面の表面トポグラフィーを、干渉計(Taylor Hobson, CCI HD)を使用して検討した。2つの実質的に同一の8オンスPETボトルであるボトル4およびボトル5を、上述したように固体粒子溶液でコーティングした。ボトル4は約0.04グラムの堆積重量を有し、ボトル5は約0.05グラムの堆積重量を有していた。図14に示すボトル4の光学画像に見られるように、堆積したコーティングは均質であった。ボトル4を用いて、溶融固体粒子溶液コーティングの表面トポグラフィーを検討した。ボトル5を用いて、滑り性能を検討した。
[00112] この実施例では、含浸液内に溶解または懸濁された固体粒子を含む(すなわち、含浸液は固体粒子に対して溶媒として作用する)スプレーを表面上にスプレーコーティングし、液体含浸表面が一段階のコーティングプロセスで形成されるようにした。含浸液中の固体粒子の溶液を、溶融溶液または固体懸濁液として表面上にスプレーコーティングした。プロピレングリコールジ(カプリン酸/カプリル酸)含浸液中の5%のカルナウバ蝋固体粒子溶液を、プロピレングリコールジ(カプリン酸/カプリル酸)50ml中にカルナウバ蝋2.5グラムを加えることにより調製した。この固体粒子溶液は、カルナウバ蝋固体を含有するプロピレングリコールジ(カプリン酸/カプリル酸)含浸液を約80セルシウス度超の温度に加熱し、カルナウバ蝋固体が溶解して溶液が透明かつ黄色みを帯びるまで加熱することによって調製された。次いで、この固体粒子溶液25mlを第1のSpriMagTMスプレーコータ広口瓶に充填し、冷水で冷却しながら、超音波処理機内で音波処理に供した。溶液が冷却されるとカルナウバ蝋の固体粒子が含浸液内に沈殿し、これにより、プロピレングリコールジ(カプリン酸/カプリル酸)含浸液中のカルナウバ蝋固体粒子の懸濁液を形成した。
[00115] この実施例では、その上に固体粒子の溶液がスプレーコーティングされる基材を、スプレーコーティング前に加熱または冷却し、テクスチャ加工表面の特性を調節した。カルナウバ蝋の3%溶液を、酢酸エチル中で調整した。この溶液を調整するために、カルナウバ蝋1.5グラムを酢酸エチル50mlに加えた。この溶液を、カルナウバ蝋固体が酢酸エチル溶媒内に完全に溶解するまで加熱および撹拌し、安定した固体粒子溶液を形成した。次いで、固体粒子溶液を室温まで冷却した。冷却した固体粒子溶液を、SpriMagTMスプレーコータのガラス広口瓶に充填した。このスプレーコータを、第1のスプレーコーティングから第2のスプレーコーティング、およびそれ以降にわたって、所定時間のスプレー時に実質的に同一重量の固体粒子溶液を送達するように調整した。固体粒子溶液を、第1の8オンスPETボトル、第2の8オンスPETボトル、および第3の8オンスPETボトルの内側表面上に、各ボトルが同じ時間にわたってスプレーコーティングされるようにスプレーコーティングした。これら3つのPETボトルは実質的に互いに同一であった。コーティング前に、各ボトルの重量を計量した。第1のPETボトルはコーティング前に約65度の温度まで加熱し、第2のPETボトルはコーティング前に約0セルシウス度の温度まで冷却し、第3のPETボトルは室温で維持した。各PETボトルを、スプレーコーティングプロセスの前および後に計量し、堆積したコーティングの重量を確認した。各PETボトル上の固体粒子コーティングの付着性を、コーティングに対して摩擦力を印加することによって検討した。第1のPETボトルと第2のPETボトルと第3のPETボトルとの間に、実質的な重量差は観察されなかった。しかしながら、加熱された表面上にスプレーされた固体粒子の局所的な融解および再凝固のため、加熱された第1のPETボトルの内側表面に対する固体コーティングの付着性においては、いくらかの増大が観察された。
[00116] 蜜蝋の滑らかなコーティングを表面上に配置した。図17に、滑らかな蜜蝋コーティングの干渉法による画像(Taylor Hobson,CCI HD)を示す。このコーティングの複雑性は、約1.2%であった。約80セルシウス度に加熱したエタノールをこの蜜蝋コーティング上にスプレーし、次いで蒸発させた。図18に、エタノールによるスプレー処理後の蜜蝋コーティングの干渉法による画像(Taylor Hobson,CCI HD)を示す。コーティングは明らかに粗く見え、約55%の複雑性を有している。
Claims (29)
- 第1の複数の固体粒子および第2の複数の固体粒子を含む多分散固体粒子懸濁液を形成することであって、前記第1の複数の固体粒子が5nmと200μmとの間の第1の平均寸法を有し、前記第2の複数の固体粒子が前記第1の平均寸法と異なる第2の平均寸法を有することと、
前記多分散固体粒子懸濁液を表面上にスプレー堆積させることにより、前記表面に前記多分散固体粒子懸濁液を塗布することと、
前記表面に含浸液を塗布することであって、前記第1の複数の固体粒子、第2の複数の固体粒子および前記含浸液が前記第1の複数の固体粒子および前記第2の複数の固体粒子を含む液体含浸表面を共に生成することと、
を含む方法。 - 前記多分散固体粒子懸濁液が界面活性剤をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記界面活性剤が、オレイン酸、エライジン酸、バクセン酸、リノール酸、カプリル酸、カプリン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、アラキジン酸、蜜蝋、ドコセン酸、トランス‐13‐ドコセン酸、cis‐13‐ドコセン酸、ノニルフェノキシトリ(エチレンオキシ)エタノール、およびフルオロケミカルのうちの少なくとも1つを含む、請求項2に記載の方法。
- 前記第1の複数の固体粒子が10nmと100μmとの間の平均寸法を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の複数の固体粒子が5nmと1μmとの間の平均寸法を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の複数の固体粒子が1μmと50μmとの間の平均寸法を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記スプレー堆積の前に前記表面を粗面化することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記粗面化することが、化学的エッチング、機械的エッチング、射出成形による予めのテクスチャ加工、および吹込み成形のうちの少なくとも1つを含む、請求項7に記載の方法。
- 前記スプレー堆積が、空気噴霧器、無気噴霧器、超音波スプレーコータ、熱スプレーコータ、プラズマスプレーコータ、電弧スプレーコータ、および粉末スプレーコータのうちの少なくとも1つを使用して実施される、請求項1に記載の方法。
- 前記多分散固体粒子懸濁液が前記含浸液を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記含浸液を前記塗布することが、前記多分散固体粒子懸濁液を前記塗布することの後に実施される、請求項1に記載の方法。
- 溶媒、第1の複数の固体粒子および第2の複数の固体粒子を含む多分散固体粒子懸濁液を形成することであって、前記第1の複数の固体粒子が5nmと200μmとの間の第1の平均寸法を有し、前記第2の複数の固体粒子が前記第1の平均寸法と異なる第2の平均寸法を有することと、
前記多分散固体粒子懸濁液を表面上にスプレー堆積させることにより、前記表面に前記多分散固体粒子懸濁液を塗布することと、
前記溶媒の少なくとも一部分を蒸発させ、それによってテクスチャ加工表面を生成することと、
前記テクスチャ加工表面に含浸液を塗布して液体含浸表面を生成することと、
を含む方法。 - 前記多分散固体粒子懸濁液内の前記溶媒の重量パーセント濃度が50%から99.9%の範囲内である、請求項12に記載の方法。
- 前記複数の固体粒子が、不溶性繊維、蝋、多糖類、フラクトオリゴ糖、金属酸化物、モンタン蝋、褐炭、泥炭、オゾケライト、セレシン、歴青、ペトロラタム、パラフィン、微結晶蝋、ラノリン、金属またはアルカリのエステル、ココナツ粉末、アーモンド、ジャガイモ、小麦、パルプ、ゼイン、デキストリン、セルロースエーテル、酸化第二鉄、酸化第一鉄、シリカ、粘土鉱物、ベントナイト、パリゴルスカイト、カオリナイト、バーミキュライト、燐灰石、グラファイト、二硫化モリブデン、雲母、窒化ホウ素、ギ酸ナトリウム、オレイン酸ナトリウム、パルミチン酸ナトリウム、硫化ナトリウム、アルギン酸ナトリウム、アガー、ゼラチン、ペクチン、グルテン、アルギン酸デンプン、およびカラギーナンのうちの少なくとも1つを含む、請求項12に記載の方法。
- 噴霧空気圧を調節することをさらに含む、請求項12に記載の方法。
- 前記スプレー堆積中に前記多分散固体粒子懸濁液の温度を調節することをさらに含む、請求項12に記載の方法。
- スプレー堆積前に前記表面の温度を修正することをさらに含む、請求項12に記載の方法。
- スプレー堆積中に前記表面の温度を修正することをさらに含む、請求項12に記載の方法。
- スプレー堆積後に前記表面を加熱または冷却することをさらに含む、請求項12に記載の方法。
- 前記スプレー堆積後に、堆積された固体粒子の少なくとも1つの乾燥条件および/または乾燥時間を調節することをさらに含む、請求項12に記載の方法。
- 前記第2のコーティングを前記スプレー堆積する前に前記第1のコーティングの少なくとも一部分を乾燥させることをさらに含む、請求項12に記載の方法。
- 含浸液、第1の複数の固体粒子および第2の複数の固体粒子を含む多分散固体粒子懸濁液を形成することであって、前記第1の複数の固体粒子の粒子が5nmと200μmとの間の平均寸法を有し、前記第2の複数の固体粒子が前記第1の平均寸法と異なる第2の平均寸法を有することと、
前記多分散固体粒子懸濁液を表面上にスプレー堆積させることにより、前記多分散固体粒子懸濁液の少なくとも1つのコーティングを前記表面に塗布し、それによって液体含浸表面を生成することと、
を含む方法。 - 前記多分散固体粒子懸濁液が溶媒をさらに含み、前記多分散固体粒子懸濁液内の前記溶媒の重量パーセント濃度が50%未満である、請求項22に記載の方法。
- 前記含浸液が、シリコンオイル、パーフルオロカーボン液、ハロゲン化バキュームオイル、グリース、潤滑剤、フッ素化冷却材、イオン液体、水と混和しないフッ素化イオン液体、PDMSを含むシリコンオイル、フッ素化シリコンオイル、液体金属、合成油、植物油、電気粘性流体、磁性流体、強磁性流体、誘電性液体、炭化水素液体、ポリアルファオレフィン(PAO)、フルオロカーボン液体、冷媒、バキュームオイル、相転移材料、半液体、ポリアルキレングリコール、飽和脂肪酸または飽和二塩基酸のエステル、ポリ尿素、滑液、および体液のうちの少なくとも1つを含む、請求項22に記載の方法。
- 前記固体粒子が融解している、請求項22に記載の方法。
- 前記第1の複数の固体粒子は、不溶性繊維、精製木材セルロース、微結晶セルロース、オートブラン繊維、蝋、カルナウバ蝋、木蝋、蜜蝋、ライスワックス、キャンデリラ蝋、フッ素化蝋、シリコン含有蝋、脂肪酸のエステルの蝋、脂肪酸、脂肪酸アルコール、グリセリド、フルクトオリゴ糖、金属酸化物、モンタン蝋、褐炭および泥炭、オゾケライト、セレシン、歴青、ペトロラタム、パラフィン、微結晶蝋、ラノリン、金属もしくはアルカリのエステル、ココナツ粉末、アーモンド、ジャガイモ、小麦、パルプ、ゼイン、デキストリン、セルロースエーテル、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース(HPC)、ヒドロキシエチルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)、エチルヒドロキシエチルセルロース、酸化第二鉄、酸化第一鉄、シリカ、粘土鉱物、ベントナイト、パリゴルスカイト、カオリナイト、バーミキュライト、燐灰石、グラファイト、二硫化モリブデン、雲母、窒化ホウ素、ギ酸ナトリウム、オレイン酸ナトリウム、パルミチン酸ナトリウム、硫化ナトリウム、アルギン酸ナトリウム、アガー、ゼラチン、ペクチン、グルテン、アルギン酸デンプン、カラギーナン、ホエー、またはそれらの組み合わせを含む、請求項22に記載の方法。
- 前記多分散固体粒子懸濁液は、前記第1の複数の固体粒子および前記第2の複数の固体粒子とは異なる第3の複数の固体粒子を含む、請求項22に記載の方法。
- 前記第3の複数の固体粒子は、不溶性繊維、精製木材セルロース、微結晶セルロース、オートブラン繊維、蝋、カルナウバ蝋、木蝋、蜜蝋、ライスワックス、キャンデリラ蝋、フッ素化蝋、シリコン含有蝋、脂肪酸のエステルの蝋、脂肪酸、脂肪酸アルコール、グリセリド、フルクトオリゴ糖、金属酸化物、モンタン蝋、褐炭および泥炭、オゾケライト、セレシン、歴青、ペトロラタム、パラフィン、微結晶蝋、ラノリン、金属もしくはアルカリのエステル、ココナツ粉末、アーモンド、ジャガイモ、小麦、パルプ、ゼイン、デキストリン、セルロースエーテル、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース(HPC)、ヒドロキシエチルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)、エチルヒドロキシエチルセルロース、酸化第二鉄、酸化第一鉄、シリカ、粘土鉱物、ベントナイト、パリゴルスカイト、カオリナイト、バーミキュライト、燐灰石、グラファイト、二硫化モリブデン、雲母、窒化ホウ素、ギ酸ナトリウム、オレイン酸ナトリウム、パルミチン酸ナトリウム、硫化ナトリウム、アルギン酸ナトリウム、アガー、ゼラチン、ペクチン、グルテン、アルギン酸デンプン、カラギーナン、ホエー、またはそれらの組み合わせを含む、請求項22に記載の方法。
- 前記第1の複数の固体粒子は、前記含浸液に少なくとも部分的に沈殿している、請求項22に記載の方法。
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