PL178053B1 - Samooczyszczająca się powierzchnia elementów - Google Patents

Abstract

1. Samooczyszczajaca sie powierzchnia elementów konstrukcyjnych lub budowla- nych, wyposazona korzystnie w naniesiona powloke o wlasciwosciach hydrofobowych, znamienna tym, ze jest zaopatrzona w sztucznie wytworzona strukture powierzchniowa zlozona z wypuklosci o wysokosci od 5 µm do 100 ( µ m, znajdujacych sie od siebie w od- leglosci od 5 µ m do 200 µm oraz otaczajacych te wypuklosci zaglebien, przy czym przy- najmniej wypuklosci struktury utworzone sa z trwale polaczonych z podlozem hydrofibizowanych materialów, korzystnie z hydrofobowych polimerów. PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest samooczyszczająca się powierzchnia elementów konstrukcyjnych lub budowlanych, wyposażona w naniesioną powłokę o właściwościach hydrofobowych.

Oczyszczanie powierzchni elementów konstrukcyjnych i budowlanych ma istotne znaczenie zarówno ze względów estetycznych, jak i technicznych, zwłaszcza w przypadku powierzchni przepuszczających światło, które dla zachowania swej funkcjonalności muszą być okresowo czyszczone. Od wielu lat prowadzone są próby wytwarzania tego rodzaju powierzchni, które utrudniałyby osadzanie się brudu, albo też samooczyszczały się pod działaniem deszczu lub bieżącej wody. Okazało się jednak, że nawet po uzyskaniu takich właściwości, nie są one trwałe lecz zachowują się przez stosunkowo krótki okres czasu. Znane są również stosunkowo gładkie powierzchnie z folii lub z płyt wykonanych z polimerów, którym nadawane są właściwości hydrofobowe (na przykład powierzchnie z hydrofobowego teflonu), albo też właściwości antyhydrofilowe (na przykład tekstylne powłoki hydrofilowe), charakteryzujące się tym, że woda spływa po nich w postaci kulistych kropel.

Ze szwajcarskiego opisu patentowego nr CH 268258 znane są powierzchnie nawilżane wodą mające takie właściwości, że krople wody tworzą z powierzchnią, kąt przylegania większy od 120°. Powierzchni takie wytwarza się przez nanoszenie na podłoże proszków takich jak kaolin, talk, glinka lub krzemionka, którym uprzednio nadaje się właściwości hydrofobowe przy użyciu organicznych związków krzemu. Proszki te nanosi się przy tym łącznie z utwardzalną żywicą albo też w postaci roztworów w rozpuszczalnikach organicznych.

Okazało się jednak, że sposób ten nie umożliwia wytworzenia wystarczająco trwałych powierzchni hydrofobowych. Właściwości powierzchni, otrzymanych tym sposobem, porównano z właściwościami liści nasturcji, które mają nadzwyczaj drobną ultrastrukturę o wymiarach elementów powierzchni, mniejszych od 2 pm. Podobne struktury powierzchniowe jest bardzo trudno wytworzyć sztucznie, gdyż są one nadzwyczaj wrażliwe na uszkodzenia mechaniczne. Świadczy to o tym, że nasturcja nie jest przydatnym modelem dla wytwarzanych przemysłowo struktur powierzchniowych.

Z niemieckiego opisu patentowego nr DE 1023217 znana jest forma do wytwarzania elementów o szorstkiej powierzchni, zwłaszcza kształt z kauczuku lub z tworzywa sztucznego, której ścianki są powleczone gruboziarnistym proszkiem korundowym oraz lakierem piecowym. Przy użyciu tego rodzaju formy uzyskuje się powierzchnie z przypadkowymi wgłębieniami, a więc o lepszej przyczepności, na które daje się dobrze nanosić napisy lub rysunki. Jednakże uzyskane powierzchnie nie mają właściwości samooczyszczania się, na przykład bieżącą wodą lub deszczem.

178 053

Z japońskiego opisu patentowego nr JP 174279 znany jest sposób wytwarzania matowych, dekoracyjnych powierzchni na arkuszach lub foliach z tworzywa sztucznego przy użyciu lakierów utwardzanych promieniowaniem jonizującym, na których można wytłoczyć określony wzór lub napis, przy czym powierzchnie te zostają utwardzone przez napromieniowanie.

Z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych AP nr US 3354022 znane są powierzchnie niezwilżalne wodą, a więc mające właściwości antyhydrofilowe, polegające na tym, że krople wody mają dążenie do zachowania powierzchni kulistej i nie rozlewania się na powierzchni. Właściwości takie wykazuje na przykład folia polietylenowa, zaś występy wytłaczane w tej folii wzmagają przeciwzwilżeniowe (antyhydrofilowe) właściwości powierzchni. Materiały mające tego rodzaju powierzchnie mają przede wszystkim zastosowanie do produkcji odzieży przeciwdeszczowej, namiotów, kurtyn prysznicowych, a nawet pokryć dachowych.

Badania, które doprowadziły do wynalazku wykazały, że powierzchnie niektórych roślin mają właściwości samooczyszczania się pod działaniem deszczu lub bieżącej wody, wskutek czego nie mogą się na nich odkładać cząstki brudu. Właściwości te tłumaczono występowaniem na powierzchni rośliny różnych rodzajów wosku. Okazało się jednak, że zdolność samooczyszczania się powierzchni roślin w mniejszym stopniu zależy od występowania albo rodzaju wosku, w większym natomiast od samej struktury powierzchniowej tych wosków, przy czym zdolność samooczyszczania się zostaje w wielu przypadkach wyeliminowana przez użycie w wodzie detergentów prowadzących do zmiany struktury zewnętrznej powierzchni wosku.

Celem wynalazku jest opracowanie takiej struktury powierzchniowej elementów konstrukcyjnych lub budowlanych poddawanych okresowo działaniu wody bieżącej lub deszczu, która zapewni tym powierzchniom właściwości samooczyszczania się, zwłaszcza z cząstek brudu, jak również opracowanie sposobu wytwarzania takich powierzchni.

Cel ten zrealizowano przez opracowanie samooczyszczającej się powierzchni elementów konstrukcyjnych lub budowlanych według wynalazku, która charakteryzuje się tym, że jest zaopatrzona w sztucznie wytworzoną strukturę powierzchniową złożoną z wypukłości o wysokości od 5 pm do 100 pm, znajdujących się od siebie w odległości od 5 pm do 200 pm oraz otaczających te wypukłości zagłębień, przy czym przynajmniej wypukłości struktury utworzone są z trwale połączonych z podłożem hydrofibizowanych materiałów, korzystnie z hydrofobowych polimerów.

Wytworzona struktura powierzchniowa jest korzystnie przepuszczalna dla światła.

Okazało się, że powierzchnie zaopatrzone w wypukłości i zagłębienia według wynalazku nie dają się oderwać od powierzchni przedmiotu ani przez wodę, ani nawet przez wodę zawierającą detergenty.

Samooczyszczające się struktury powierzchniowe wytwarza się na powierzchni elementów konstrukcyjnych lub budowlanych z hydrofobowych polimerów, przy czym żądaną strukturę nadaje się albo przy wytwarzaniu powłoki przez jej dodatkowe wytłaczanie lub trawienie po nałożeniu, albo też przez naklejenie proszku z hydrofobowych polimerów. Korzystna jest dla uzyskanych własności samooczyszczających się powierzchni przedmiotów dodatkowa trwała hydrofibizacja, na przykład silanizacja wytworzonych wcześniej powłok. Silanizację można przeprowadzić na wszystkich z natury hydrofitowych materiałach, które reagują z reaktywnymi grupami silanów tworząc powierzchnię złożoną z hydrofobowych reszt silanów.

W celu utworzenia żądanych struktur powierzchniowych z hydrofobowych polimerów, już w trakcie ich wytwarzania elementy konstrukcyjne lub budowlane wykonuje się w formach, których powierzchnia stanowi negatywowe odwzorowanie żądanej struktury powierzchniowej. Hydrofobowe polimery mogą być również nanoszone na powierzchnię elementów w postaci roztworów, względnie dyspersji, które po wyschnięciu i związaniu z podłożem tworzą z samoorganizujących się polimerów żądaną strukturę powierzchniową, podobnie jak to ma miejsce przy wytwarzaniu matowych powierzchni lakierowanych.

178 053

Wytwarzanie żądanych struktur powierzchniowych może mieć również miejsce po wykonaniu przedmiotu, na przykład przez wytłaczanie lub trawienie jego powierzchni. Wytłaczanie przeprowadza się na przykład za pomocą ogrzanego stempla, zagłębieniającego się w powierzchnię przedmiotu, natomiast trawienie - za pomocą znanych środków do trawienia chemicznego albo mającego szorstką powierzchnię trawienia jonowego za pomocą tlenu albo napromieniowania.

Uzyskanie żądanej struktury powierzchniowej jest także możliwe przez naklejenie na powierzchnię proszku z hydrofobowych polimerów o stosunkowo niewielkich różnicach wielkości ziarna.

Badania eksploatacyjne powierzchni samooczyszczających się według wynalazku wykazały, że struktury powierzchniowe z wypukłościami i wgłębieniami, wykonane z hydrofobowych polimerów, jak również struktury powierzchniowe dodatkowo hydrofibizowane, nie podlegają całkowicie oczyszczeniu z nanoszonego na nie brudu przez krótkotrwałe deszcze lub niewielki strumień wody bieżącej, gdyż stałe cząsteczki brudu, o wymiarach mniejszych od odległości między wypukłościami, gromadzą się między tymi wypukłościami pogarszając przez to właściwości samooczyszczania się powierzchni. Jednakże efekt samooczyszczania, nawet z nadzwyczaj drobnych cząsteczek brudu nagromadzonych we wgłębieniach rzeźby struktury powierzchniowej, wzrasta podczas długotrwałych lub silnych deszczów; gdyż krople deszczu, dzięki swej energii kinetycznej, wciskają się w mikrorzeźbę struktury powierzchniowej powodując wyrwanie z niej osiadłego tam brudu i spłukiwanie go przez następne krople.

Samooczyszczające właściwości powierzchni według wynalazku zostają zachowane również po ich zetknięciu z wodą zawierającą detergenty, a następnie spłukaniu tych detergentów przez deszcz lub strumień czystej wody, przy czym, w przeciwieństwie do samooczyszczających się powierzchni roślin, detergenty nie powodują żadnych trwałych szkód we właściwościach tych powierzchni. Właściwości samooczyszczania się powierzchni mogą być jednak utracone przez mechaniczne zniszczenie struktury powierzchniowej, przy czym, zgodnie z wynalazkiem, możliwe jest przywrócenie, przynajmniej w pewnym stopniu, działania samooczyszczającego przez przyklejenie proszku z hydrofobowych polimerów. Właściwości hydrofobowe powierzchni polegają na tym, że krople wody spoczywają tylko na wypukłościach tej powierzchni i mają z nią bardzo małą powierzchnię styku, natomiast między kroplami wody i powierzchnią zagłębień zamknięta jest stosunkowo duża objętość powietrza, stanowiącego również materiał hydrofobowy. Wskutek tego oraz w wyniku oddziaływania napięcia powierzchniowego, kropla przyjmuje postać o możliwie najmniejszej powierzchni, a więc kształt kulisty i przy najmniejszym wstrząsie stacza się z powierzchni występów. W podobny sposób zmniejsza się także przyczepność cząstek stałych, na przykład brudu, do powierzchni hydrofobowej, powodując spływanie tych cząstek wraz z kroplami wody.

Optymalne wyniki samooczyszczania powierzchni według wynalazku uzyskuje się wtedy, gdy wypukłości struktury powierzchniowej leżą w takiej odległości od siebie, która umożliwia uniknięcie styku kropel wody między wypukłościami. Jeśli wypukłości struktury powierzchniowej leżą zbyt blisko siebie, a równocześnie zagłębienia nie są dostatecznie głębokie, struktura taka działa jak zamknięta powierzchnia i może być przez to lepiej nawilżana. Dlatego ze wzrastającą odległością między sąsiednimi wypukłościami powinna wzrastać również ich wysokość względem podłoża.

W wyniku dokonanych pomiarów okazało się, że optymalne warunki samooczyszczania uzyskuje się w przypadku powierzchni z wypukłościami o wysokości od 10 pm do 50 pm, lezącymi od siebie w odległości od 10 pm do l00 pm. Tego rodzaju struktury powierzchniowe mogą być stosowane we wszystkich przypadkach, gdy pożądane jest samooczyszczanie powierzchni za pomocą strumienia bieżącej wody bez detergentów lub przez deszcze.

Poniżej przedstawiono przykłady samooczyszczających się powierzchni według wynalazku wytwarzane w skali laboratoryjnej, jednakże wytwarzanie tych powierzchni można również stosować na skalę techniczną.

178 053

Przykład I. Gładką powierzchnię z tworzywa sztucznego, na przykład polietylenu, pokrywa się równomiernie cienką warstwą kleju UHU PLUS, a następnie nanosi się równomierną, cienką warstwę sproszkowanego teflonu Hostaflon TH 9205 o przeciętnej średnicy cząstek wynoszącej 7 pm w takiej ilości, aby odległości między sąsiednimi cząstkami proszku wynosiły od 5 pm do 200 pm. Po utwardzeniu uzyskuje się powierzchnię, z której nagromadzone cząstki stałe, na przykład sadza lub brud, mogą być łatwo spłukiwane wodą.

Przykład II. Gładką powierzchnię metalowego elementu konstrukcyjnego pokryto warstwą kleju oraz naniesioną na nią warstwą proszku z Hostaflonu TG 9202 o wielkości ziaren od 2 pm do 25 pm, uzyskując po utwardzeniu powierzchnię hydrofobową, z której wszelkie zabrudzenia i cząstki stale spłukiwane są strumieniem bieżącej wody.

Podobne struktury powierzchniowe można wytwarzać przez odciskanie na przedmiocie z materiału termoplastycznego odpowiednich wzorów ogrzanych stempli lub przez walcowanie za pomocą walców zaopatrzonych w takie wzory. Na powierzchnię przedmiotu można również naklejać odpowiednie chropowate folie z odwzorowanymi wypukłościami i zagłębieniami.

W technice szczególne znaczenie mają samooczyszczające się powierzchnie przedmiotów przepuszczające światło, które ze względów estetycznych lub technicznych powinny zachowywać tę właściwość przez stosunkowo długi okres czasu. Jako przykłady takich przedmiotów można wymienić oszklenie budynków, pojazdów, kolektorów słonecznych itp., dla których właściwość przepuszczania światła warunkuje ich działanie.

Duże znaczenie ma również wytwarzanie samooczyszczających się powierzchni na elewacjach budynków, dachach, budowlach zabytkowych, namiotach, a także na powierzchniach wewnętrznych wykładzin silosów, zbiorników i rurociągów w celu ich łatwego oczyszczania bieżącą wodą, a także zewnętrzne powierzchnie pojazdów, zwłaszcza samochodów, pociągów i samolotów.

Dodatkowym warunkiem, jaki winien być spełniony przy oczyszczaniu tego rodzaju powierzchni bieżącą wodą, jest wyeliminowanie możliwości powstawania naprężeń powierzchniowych, które mogłyby spowodować wygładzenie lub wypolerowanie powierzchni, a tym samym utracenie zdolności samooczyszczania się.

178 053

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz.

Cena 2,00 zł.

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Samooczyszczająca się powierzchnia elementów konstrukcyjnych lub budowlanych, wyposażona korzystnie w naniesioną powłokę o właściwościach hydrofobowych, znamienna tym, że jest zaopatrzona w sztucznie wytworzoną. strukturę powierzchniową złożoną z wypukłości o wysokości od 5 μτη do 100 pm, znajdujących się od siebie w odległości od 5 pm do 200 pm oraz otaczających te wypukłości zagłębień, przy czym przynajmniej wypukłości struktury utworzone są z trwale połączonych z podłożem hydrofibizowanych materiałów, korzystnie z hydrofobowych polimerów.
2. 2. Powierzchnia według zastrz. 1, znamienna tym, że jej struktura powierzchniowa jest przepuszczalna dla światła.

   * * *