TWI424876B - 改變流體親和度的表面結構 - Google Patents
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Description
本揭示內容是有關於一種表面結構，且特別是有關於一種控制親疏水性的表面微結構。
請參考第1圖，第1圖是習知之流體與基材間接觸角的結構示意圖。一般而言，特定流體100與特定基材200間的接觸角θ*
是固定的；以水為例，水在疏水性材質上的接觸角必大於90度。此時，若要改變此疏水性材質與水之間的親疏狀態，以達潤濕，則需使用界面改質劑等化學物質。因此，在工業應用上，伴隨不同工序對基材表面親疏水性要求之不同，各種界面改質劑被大量的使用，進而造成環境上的污染，特別是影響水資源甚鉅。
因此，本揭示內容之一技術態樣是在提供一種表面結構，可改變對流體的親和度，以替代界面改質劑來改變基材對流體的親疏性。
根據本技術態樣一實施方式，提出一種改變對流體親和度的表面結構，包含基材及成型於基材上之微凸塊，且每相鄰兩微凸塊之間距小於流體的毛細管長度。其中，微凸塊具有連續但不可微分的邊界轉角。
本文中所述「連續但不可微分的邊界轉角」係如數學上所定義，指形成邊界轉角的二個面並未分離，但存在轉折點或反曲點。
依照本實施方式之一或多個實施例，若表面結構的微凸塊之邊界轉角角度介於90-180度間，則表面結構與流體之親和度大於流體與基材的原始親和度；若微凸塊之邊界轉角角度介於0-90度間，則表面結構與流體之親和度小於流體與基材的原始親和度。流體與基材的原始親和度可以流體與基材之原始接觸角θ*
表示，原始接觸角θ*
愈大，流體與基材之間的原始親和度愈高。
因此，根據本實施方式之一或多個實施例，當流體與基材之原始接觸角為θ*
時，設微凸塊之邊界轉角夾角為α，流體與表面結構的接觸角為θ，則θ *
≦θ≦(180-α)+θ *
。
具體而言，基材可以是一疏水性材質，例如聚氟化物、氧化亞銅及聚矽氧烷化物等；基材也可以是一親水性材質，例如二氧化矽、金屬氧化物及壓克力等，微凸塊是基材加工或直接成型的表面微結構。此外，從形狀上來看，能提升對流體親和度的表面結構之微凸塊可以是上端截面積大於相鄰之下端截面積的形狀；降低對流體親和度的表面微結構之微凸塊則是上端截面積小於相鄰之下端截面積的形狀
藉此，本發明實施例係以基材表面形態之改變取代基材表面性質之改變，其相較於需對表面進行破壞的改質方法，可以有效降低對環境的衝擊，且大幅減少生產成本。
請參考第2A-2B圖，第2A-2B圖是流體與基材間產生邊界效應的結構示意圖。邊界效應(edge effect)係指一物質固液氣三相界面存在於一具有反曲點或轉折點而不可微分的固體表面時，液體對固體表面所產生的相對親疏性變化。
第2A圖中，以水為例，當流體100滴落在一傾斜之疏水基材200的表面時，受重力及流體100本身表面張力作用，流體100上端與基材200之接觸角約為53度，而流體100向下滑之一端與基材200之接觸角約為76度；其中第2A圖之虛線表示水平線。然而，當流體100位於基材200之邊界201時，基於邊界效應，流體100處在此不可微分的固體基材200邊緣轉角處時，流體100會傾向選擇改變與基材200的接觸角呈現更疏水的狀態，而不是潤濕此界面，因為相較於呈現疏水狀態，潤濕此不可微分界面須要付出較高的能量代價。因此，本揭示內容即是利用改變基材200表面的微-毫米結構及形狀，以使其產生邊界效應，進而達到在不改變基材表面本質的前提下，調控其對流體的親疏性。
承上所述，本揭示內容之實施例係針對基材本身之親疏水性，配合特定流體之極性，設計出在基材上具有微凸塊之表面結構，藉由微凸塊邊緣轉角之角度設計及安排相鄰的微凸塊間的距離，使流體在表面結構上產生親疏性變化，且表面結構與流體之接觸角θ會遵守如下關係式：
θ *
≦θ≦(180-α)+θ *
第3圖是本揭示內容一實施例之具有疏水性的表面結構示意圖。本實施例係以水為例，於一原始接觸角(θ *
)為140度的疏水性基材表面形成具有不可微分之連續面結構的微凸塊，並將此不可微分之連續面結構邊界轉角角度(α)設計為60度，並由於流體為水，因此相鄰二微凸塊210的邊界轉角角緣處之間的距離須小於2.7 mm(毛細管長度)，再由電腦模擬水在此表面結構上的能量進行計算。電腦模擬能量計算結果證實，此表面結構可在此原本具疏水性的材質上產生超疏水的效果。
請復參考第4圖，第4圖是本揭示內容一實施例之具有親水性的表面結構示意圖。第4圖中仍以水為例，其係利用與第3圖相同之疏水性基材(原始接觸角θ *
=140度)，於基材表面設計邊界轉角角度為130度的不可微分連續面結構，且相鄰二微凸塊210的邊界轉角角緣處之間的距離須小於2.7mm(毛細管長度)。由電腦模擬能量計算並經實驗證實此表面結構可在此原本具疏水性的材質上產生潤濕的效果。
綜上第3圖與第4圖實施例之電腦模擬實驗結果，可知即使使用相同材質，卻能產生親水或疏水的兩種極端效果，顯示利用邊界效應的影響，配合不同的表面結構形狀設計，即可以達到在不考慮基材200本身與流體100親疏性的前提下，調控基材200表面親疏特性至所須應用範圍的功效。藉此，本揭示內容可應用於改善許多功能性產業；例如，應用於登山用品的機能性紡織品，以有效提高防水排汗的效果，大大提升其附加價值及產品競爭力。應用於建築材料以設計出具有可防水除溼特性的建築牆面，同時達到環保減碳的目的。其它尚可應用於流體的吸收等等與液固界面性質相關的產業上，顯具有很高的實際應用價值。
請參考第5圖，第5圖是第4圖之親水性表面結構於一實施方式的結構示意圖。第5圖中，微凸塊210可以設計為上端截面積小於相鄰之下端截面積的形狀。當流體100滴落在微凸塊210上時，由於微凸塊210的邊界轉角角度介於90-180度間，使流體100與微凸塊210間有較緊密的結合，因此流體100傾向產生潤濕基材的效果。
第6圖是第3圖之疏水性表面結構於一實施方式的結構示意圖。第6圖中，微凸塊210可設計成各種上端截面積大於相鄰之下端截面積的形狀。當流體100滴落在微凸塊210上時，由於兩個相鄰微凸塊210的邊界轉角角緣處之間距d小於流體100的毛細管長度，使流體100的表面張力(或稱內聚力)，大於其與微凸塊210間的吸附力。此外由於微凸塊210的邊界轉角角度介於0-90度間，使流體100與微凸塊210的接觸角θ遠大於原始接觸角θ *
，因此流體100傾向產生不潤濕基材的效果。根據上述可知，在流體100邊緣處，因邊界轉角角度(α)介於0-90度間，而迫使流體100基於邊界效應而加大接觸角；另一方面，若微凸塊210之邊界轉角角度(α)介於90-180度間，則流體100與表面結構的接觸角反而變小。換句話說，若要增加流體與表面結構的親和度，則微凸塊之邊界轉角角度需介於90-180度間；反之，若要減少流體與表面結構的親和度，則微凸塊之邊界轉角角度介於0-90度間。
請復參考第7A圖與第7B圖，第7A圖是第6圖之疏水性表面結構於一實施方式的立體圖，第7B圖是第6圖之疏水性表面結構於另一實施方式的立體圖。第7A圖中，由剖線a可得到微凸塊之一矩形截面；第7B圖中，由剖線b可得到微凸塊之一圓形截面。值得一提的是，微凸塊210可以是基材200經加工後所形成之表面微結構，亦即微凸塊210與基材200係同一材質，或微凸塊210為直接成型於基材200。基材200可以是諸如聚氟化物、氧化亞銅及聚矽氧烷化物等相對疏水性材質，或諸如二氧化矽、金屬氧化物壓克力及或布料等相對親水性材質。
最後，請參考第8圖，第8圖是各種邊界轉角角度α影響接觸角θ的統計圖。其係依實驗結果所繪出；由第8圖可知，隨著邊界轉角角度α的增加，可使材料表面的臨界角度上升，亦即由原始接觸角θ *
升高到流體100與表面結構的接觸角θ。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何在本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．流體
200．．．基材
201．．．邊界
210．．．微凸塊
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：
第1圖是習知之流體與基材間接觸角的結構示意圖。
第2A圖是流體為水時，與基材間接觸角的結構示意圖。
第2B圖第2A圖之流體與基材間產生邊界效應的結構示意圖。
第3圖是本揭示內容一實施例之具有疏水性的表面結構示意圖。
第4圖是本揭示內容一實施例之具有親水性的表面結構示意圖。
第5圖是第4圖之親水性表面結構於一實施方式的結構示意圖。
第6圖是第3圖之疏水性表面結構於一實施方式的結構示意圖。
第7A圖是第6圖之疏水性表面結構於一實施方式的立體圖。
第7B圖是第6圖之疏水性表面結構於另一實施方式的立體圖。
第8圖是各種邊界轉角角度α影響接觸角θ的統計圖。
100．．．流體
200．．．基材
210．．．微凸塊
Claims (10)
- 一種改變流體親和度的表面結構，係用以承接一流體，包括：一基材；以及複數個微凸塊，位於該基材上，各該微凸塊之表面為平整表面且不具有毛細管凹槽，且各該微凸塊具有連續但不可微分的邊界轉角，每相鄰兩該微凸塊之間距小於該流體之毛細管長度，其中該流體與該基材之原始接觸角為θ* ，該微凸塊之邊界轉角夾角為α時，該流體與該表面結構的接觸角為θ，且θ * ≦θ≦(180-α)+θ * 。
- 如請求項1所述之改變流體親和度的表面結構，其中該微凸塊之上端截面積小於相鄰之下端截面積。
- 如請求項2所述之改變流體親和度的表面結構，其中該微凸塊之邊界轉角角度介於90-180度間。
- 如請求項1所述之改變流體親和度的表面結構，其中該微凸塊之邊界轉角角度為130度。
- 如請求項1所述之改變流體親和度的表面結構，其中該微凸塊之上端截面積大於相鄰之下端截面積。
- 如請求項5所述之改變流體親和度的表面結構，其 該微凸塊之邊界轉角角度介於0-90度間。
- 如請求項2或5所述之改變流體親和度的表面結構，其中該微凸塊之橫截面為矩形或圓形。
- 如請求項1所述之改變流體親和度的表面結構，其中該微凸塊之邊界轉角角度為60度。
- 如請求項1所述之改變流體親和度的表面結構，其中該複數個微凸塊係為加工該基材所形成之表面微結構。
- 如請求項1所述之改變流體親和度的表面結構，其中該基材為聚氟化物、氧化亞銅、聚矽氧烷化物、二氧化矽、金屬氧化物或壓克力。
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