CN113329855A

CN113329855A - 用于液体处理的具有自清洁性的部件

Info

Publication number: CN113329855A
Application number: CN202080010388.7A
Authority: CN
Inventors: 特奥多尔·尼尔森; 艾丽西亚·约翰逊; 拉塞·霍伊伦德·埃克伦德·泰姆德鲁普
Original assignee: Nil Tech APS
Current assignee: Nil Tech APS
Priority date: 2019-01-24
Filing date: 2020-01-24
Publication date: 2021-08-31
Also published as: WO2020152345A1; US20220088836A1

Abstract

本发明涉及用于处理液体和/或能够被液体接触的超疏水表面，所述表面包括至少一个疏水液体接触表面部分，其中所述疏水液体接触表面部分呈现微纳米分级图案化结构，所述结构包括：‑均匀分布的微米尺寸柱(1)，和‑在所述微米尺寸柱的上表面均匀分布的纳米尺寸柱(2)，优选地所述柱(2)的尺寸小于1微米，和‑在所述纳米尺寸柱的上表面的纳米尺寸突起(3)，所述突起以非周期性的不规则图案定位。本发明还涉及这种具有微纳米分级图案化结构的表面的用途，例如在处理热液体中的用途，以及相应的制造工艺，例如使用注射成型工艺生产聚合物部件。

Description

用于液体处理的具有自清洁性的部件

技术领域

本发明涉及在聚合物部件上获得具有超疏水性或全憎性的自清洁表面的方法。特别地，本发明涉及通过三级分级微纳米拓扑结构在聚合物部件上的自清洁表面的各种用途，以及聚合物部件上的这种表面的制造方法。

背景技术

自然界中有丰富的超疏水(SH)表面。最突出和著名的例子之一是荷叶，其含有复杂的3D拓扑结构。这有效地使表面SH和自清洁(SC)，因为水滴从叶子上滑落并在此过程中收集颗粒污染源。

大多数合成聚合物材料本质上是疏水的。这包括热塑性聚合物，例如环烯烃共聚物和聚丙烯，它们通常用于通过注射成型大量生产塑料部件。

通过采用高科技制造技术，可以生产具有复杂表面拓扑结构的母版或模具，并且这些允许通过热压花、压缩注射成型、注射成型和类似的常规生产技术来大规模生产聚合物零件。在文献中，发现聚合物的SH性质通过用分级结构(即具有叠加的纳米尺寸粗糙度的微结构)对它们进行图案化来优化。在本领域中已知制造允许通过热压花生产SH聚合物表面的母版。在例如固有WCA高于100°的环烯烃共聚物、聚丙烯和氟化聚合物中获得了有前景的结果。在热压花和注射成型中，母版/模具的表面浮雕必须允许图案化塑料样品的顺利分离。因此，不能转移任意的3D分级结构，尽管就获得和有效的SH聚合物表面而言，这些可能是最理想的。在大多数情况下，禁止具有例如高纵横比和/或负倾斜侧壁的结构。

国际专利申请WO 96/34697公开了基于纳米结构膜的低能表面对液体表现出前进和后退接触角，使得(1)前进和后退接触角之间的差接近零并且(2)前进和后退接触角接近180°。低能表面包括涂有有序分子组合体(OMA)的纳米结构膜。表面的化学和润湿特征可以通过改变暴露在与纳米结构膜表面接触的环境中的OMA端基的功能来改变。然而，随着时间的推移，尤其是在实验室条件之外的使用过程中，这种OMA表面不是很耐用。

因此，在塑料或聚合物物体表面上引入超疏水性的改进方法将是有利的，特别地，在现有塑料或聚合物物体上引入导致超疏水性的任意分级表面拓扑结构的更有效方法将是有利的。

可以通过不同的技术获得组分的拒水或疏水性能。已经使用了化学涂层，但它们的使用可能是不健康的。一种有趣的技术是纳米压印光刻，其由在部件表面压印微纳米结构组成。国际专利申请WO 2013/131525描述了这种类型的结构及其压印方法：具有这种结构的注射成型聚合物的表面呈现良好的疏水性，水滴容易从这些表面滚落。

然而，已经观察到这些结构为在环境温度或低温下使用的水提供了有效的疏水性，但是，如果水是热的，并且如果水与脂肪、糖和/或蛋白质组分混合，则疏水性降低。

需要提供无论与部件接触的液体的温度如何(即冷的、环境的或热的)都呈现疏水性的表面。

发明内容

疏水性由所述液体接触表面部分的表面设计提供。准确地说，该表面呈现具有至少三级的微纳米分级图案化结构。

因此，在第一方面，本发明涉及一种被配置成用于处理液体和/或能够被液体接触的部件，所述部件包括至少一个液体接触表面部分，所述部件与所述液体接触表面部分一体形成，其中所述液体接触表面部分呈现微纳米分级图案化结构，所述结构包括：

-均匀分布的微米尺寸柱，

-在所述微米尺寸柱的上表面均匀分布的纳米尺寸柱，优选地所述纳米尺寸柱的尺寸小于1微米，和

-在所述纳米尺寸柱的上表面的纳米尺寸突起，所述突起以非周期性的不规则图案定位。

本发明特别地但非排他性地有利于获得具有一种或多种以下性质的表面部分：

-全憎性，

-超疏水性，

-自清洁性，包括更少的细菌生长或生物污染，

-减少阻力或摩擦，

-抗凝

当本发明人着手开发完全基于微纳米结构而不添加任何涂层或化学物质的适用于温热液体的自清洁聚合物表面时，最初的方法是使用分级表面结构，其中微米结构与纳米粗糙度相结合(微-纳米表面)。这些类型的结构在文献中是众所周知的，并且许多研究小组已经开发了制造这些类型的表面的方法，并通过水接触角测量来表征它们的性能。虽然在该领域中有大量的研究成果，但是关于使用哪种结构和尺寸还没有明确的结论。根据理论，预期接触角取决于与液体接触的表面积分数，并且已经在实验中证明表面积分数越小接触角越大。

实际上，接触角测量相当复杂，其中表面的润湿性能取决于温度、湿度、表面电荷和所使用的液体，并且通常很难预测给定情况下表面的润湿性能。

本发明人开发的自清洁聚合物微纳米结构表面必须满足多个要求，其中最重要的要求是它必须适合于复制到聚合物材料中——优选使用大批量制造方法，例如注射成型。

为了确定用于温热液体的最佳表面结构，最直接的方法是通过改变结构的形状、间距和尺寸来测试多种不同类型的微纳米结构。本发明人进行的测试得出的结论是，当用室温下的液体测试时，有多种表面设计表现非常好(高接触角)。然而，当使用温热液体时，接触角太低。因此，得出的结论是，微纳米结构用于温热的液体不能令人满意，并且很明显，本发明人必须超越传统的分级表面并开发一种文献中尚未报道的新型表面。

目前认为温热液体比室温液体更难实现自清洁的原因是水的表面张力随温度升高而降低，这使得温度升高时接触角降低。

本发明本质上是设计具有一层微结构和两层不同纳米结构的组合的三级分级结构，尽管可以考虑更多的层。微米级和第一级纳米结构由微纳米光刻制成，这使得能够形成具有直侧壁的良好限定的结构，其适用于注射成型。尺寸的高度控制使得与液体接触的表面积分数非常可预测。第二级纳米结构是分级结构中的第三层也是最上层，是从硅加工中已知的无规纳米草结构。

尽管两级结构是迄今为止自清洁表面最常见的类型，但已经提出了一些三级结构。Mielonen等人最近报道了一种用于标准接触角测量的具有良好润湿性的三级微-微-纳米表面[K.Mielonen等人，Journal of Micromechanics and Microengineering,292019]。这些结构适用于注射成型，但主要区别是中间层的尺寸，中间层在Mielonen的情况下是微米结构，而在本发明中是纳米结构，这种结构的尺寸，特别是空间平均方向(例如宽度和高度)的尺寸小于1微米，优选小于0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2或0.1微米。在自然界中的一些三级结构也是已知的，例如壁虎脚趾，但是本发明涉及在工业过程中人工制造的部件。

根据本发明的部件与液体接触表面部分一体形成，例如，该部件可以与液体接触表面部分一起注射成型。因此，本领域技术人员将容易理解，所述部件形成为包括液体接触表面部分的集合单元，这将在下面针对聚丙烯部件更详细地解释，其中分级图案化结构中的所有三级都通过Ni印模压花在一起。在一些实施方案中，液体接触表面部分也可以仅形成部件的一部分，例如附着到部件的表面或薄膜。

根据优选的实施方案，所述微纳米分级图案化结构包括：

-均匀分布的微米尺寸柱，其高度为至少3μm，优选5至50μm，

-在所述微米尺寸柱的上表面均匀分布的纳米尺寸柱，其高度为500nm至1000nm，优选600至800nm，和/或

-在所述纳米尺寸柱的上表面的纳米尺寸突起，其高度为50至400nm。

第一级结构包括微米尺寸柱。

这些微米尺寸柱呈现的形状和上表面被配置为限定均匀分布的纳米尺寸柱的支撑物。

这些微米尺寸柱通常沿着它们的整个高度呈现相对均匀的横截面，并且横截面可以呈现任何形状(圆形、椭圆形、正方形、矩形、六边形)。或者，柱的横截面可沿高度变化。例如，柱可以呈现半球形，柱的横截面从底部到顶部减小。

优选地，所述微米尺寸柱是平行六面体或圆形的柱。

这些柱均匀分布。优选地，它们沿线均匀分布，两条相邻的线对齐(阵列分布)或偏移(六边形分布)。优选地，所述线是对齐的(阵列分布)。

这些微米尺寸柱的宽度可以为3至70μm，优选10至60μm。所述宽度在正方形的情况下表示边长或在圆柱形的情况下表示直径。优选地，宽度为高度的1/3至1倍。

这些微米尺寸柱可以以至多为所述柱宽的8倍的间距彼此分开。所述间距是从一根柱的中心到下一根柱的中心的距离。

第二级结构包括存在于所述微米尺寸柱上表面的均匀分布的纳米尺寸柱。

这些纳米尺寸柱呈现的形状和上表面被配置为限定纳米尺寸突起的支撑物。

这些纳米尺寸柱通常沿着它们的整个高度呈现相对均匀的横截面，并且横截面可以呈现任何形状(圆形、椭圆形、正方形、矩形、六边形)。或者，柱的横截面可沿高度变化。例如，柱可以呈现半球形，柱的横截面从底部到顶部减小。

优选地，所述纳米尺寸柱是圆形的柱。

这些纳米尺寸柱的宽度可以为400至1000nm，优选400至700nm。优选地，宽度为高度的1/5至1倍。

这些纳米尺寸柱可以以至多为所述柱宽6倍的间距彼此分开。所述间距是从一根柱的中心到下一根柱的中心的距离。

第三级结构包括在所述纳米尺寸柱的上表面的纳米尺寸突起。与所述纳米尺寸柱相反，突起并不呈现清晰的形状。这些突起以非周期性的不规则图案定位在纳米尺寸柱的上表面。

这些纳米尺寸突起的高度为10至400nm，并且所述高度低于它们在其上表面突出的纳米尺寸柱的高度。所述纳米尺寸突起的最小密度为10⁵个突起/mm²，优选在10⁵至10⁸个突起/mm²的区间内。

通常，所述纳米尺寸突起的纵横比(A)，即结构的高度/宽度，可以最小为10、1、0.1或0.01。或者，纳米尺寸突起的纵横比(A)，即平均结构的高度/宽度，平均可以最大为10、1、0.1或0.01。

应当理解，密度是在平均基础上计算的，正如从事微技术工作的人所理解的。非周期性的不规则图案的概念应被技术人员理解为在纳米尺度上所见或所观察的，例如使用扫描电子显微镜(SEM)或原子力显微镜(AFM)。例如，在SEM中使用大约2-20nm的像素尺寸，母结构将显示为具有这种图案的突起分布。

在一些实施方案中，所述微纳米分级图案化结构可以包括在所述部件表面上的至少三个不同高度级，以下中的每一种由此在部件的表面上或整个表面上以基本上独立且不重叠的高度区间定位

-所述均匀分布的微米尺寸柱，

-所述均匀分布的纳米尺寸柱，和

-所述纳米尺寸突起。

因此，三层或更多层通常被理解为在部件表面上不同高度的层，尽管本领域技术人员承认实际上由于制造公差和不精确性，在高度区间之间可以有一定程度的重叠，例如取决于如何在前一层的上方制造下一层。这也是术语“分级结构”的含义所暗示的，即一层在前一层的上方。

在有利的实施方案中，所述纳米尺寸突起的密度可以为至少10⁵个突起/mm²，并且非周期性的不规则图案源自模制、压花或铸造形式，所述模制、压花或铸造形式具有来自半导体材料的相应非周期性的不规则图案，所述半导体材料具有呈此非周期性的不规则图案的等效的纳米草表面结构。此外，密度可以为至少10⁶个突起/mm²、至少10⁷个突起/mm²或至少10⁸个突起/mm²。这些突起以非周期性的不规则图案定位。通常，密度可以在大约10⁵至10⁸个突起/mm²的区间内，优选在大约10⁶至10⁷个突起/mm²的区间内。

在有利的实施方案中，其中所述部件至少部分地由聚合物制成，并且优选通过注射成型压花或卷对卷压印来生产。

另外，所述微纳米分级图案化结构可在注射成型操作、压花或卷对卷压印期间压印在部件的表面。

通常，组成部件的聚合物是不带纤维的聚合物。实际上，纤维的存在可能不能如期望的那样模制图案化表面。聚合物优选为聚丙烯、环烯烃共聚物或聚酰胺。聚合物可以用纳米颗粒增强。

在一个实施方案中，所述部件可以是水箱、管、软管、船只表面、其他海洋建筑物等，并且箱的至少一个内部横向侧壁呈现如上所述的至少一个疏水性液体接触表面部分。

在又一个实施方案中，所述微纳米分级图案化结构的微米尺寸柱的宽度为3至70μm，优选10至60μm。

在又一个实施方案中，所述微纳米分级图案化结构的微米尺寸柱以至多为所述柱宽度8倍的间距彼此分开。

在又一个实施方案中，所述微纳米分级图案化结构的纳米尺寸柱的宽度为400至1000nm，优选400至700nm。

在又一个实施方案中，所述微纳米分级图案化结构的纳米尺寸柱以至多为所述柱宽6倍的间距彼此分开。

在又一个实施方案中，所述微米尺寸柱是平行六面体或圆形的。

在又一个实施方案中，所述纳米尺寸柱是圆形或截锥体。

在第二方面，本发明涉及呈现微纳米分级图案化结构的疏水性液体接触表面部分在用于处理温度至少为35摄氏度的液体的至少一种部件中的用途，所述部件与所述疏水性液体接触表面部分一体形成，所述结构包括：

-均匀分布的微米尺寸柱，和

-在所述微米尺寸柱的上表面均匀分布的纳米尺寸柱，和

因此，有利地，本发明可以应用于热液体，其中测试结果参见下面的示例部分，其表明本发明优于现有技术的可用解决方案。至少30、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100摄氏度的温度预期在本发明的上下文中应用。因此，如果部件本身可以安全可靠地处理热水而不劣化和/或出现故障，则可以处理低于其沸点的水。因此，如果部件是聚合物，则所述聚合物能够可能在压力下承受热水。附加地或可替代地，本发明可以应用于处理具有甚至更高温度，例如至少100、200或300摄氏度的液体，同样，考虑到如技术人员将容易理解的部件的工作温度限制。另外，液体也可以替代为蒸气。

具体地，该用途可以涉及用于处理液体的部件，该液体应用于：

-液体加工、运输、处理或储存，优选地液体是水或一种或多种水基液体，包括任何微流体装置，

-透明表面和具有透明表面的部件，

-医疗装置，或

-食品和饮料处理，包括包装。

在下文的具体实施方式中提供了可能应用的更详细的列表。关于液体处理和运输，本发明的一个特别的优点是可以显著减小液体阻力，即例如通过管道运输的液体、或经过船只或海洋建筑物的水的阻力或液体摩擦。

在第三方面，本发明涉及一种制造根据前述权利要求中任一项所述的聚合物部件的制造方法，该方法包括：

-微纳光刻处理半导体晶片，优选硅晶片，所述半导体晶片具有三级微纳米分级图案化结构，具有纳米结构的最上层通过产生具有非周期性的不规则图案的纳米草表面结构的工艺生产，

-将所述分级图案化结构转移到注射成型工具、压花工具或卷对卷压印工具中，

-形成用于液体处理的聚合物部件，所述聚合物部件具有呈现微纳米分级图案化结构的液体接触表面部分，所述聚合物部件与液体接触表面部分一体形成，所述结构包括：

ο-均匀分布的微米尺寸柱，

ο-在所述微米尺寸柱的上表面均匀分布的纳米尺寸柱，优选地所述柱的尺寸小于1微米，和

ο-在所述纳米尺寸柱的上表面的纳米尺寸突起，所述突起以非周期性的不规则图案定位。

在有利的实施方案中，在制造之前，用附接到工具内表面的中间金属插入物(例如Ni垫片)来执行将所述分级图案化结构转移到注射成型工具、压花工具或卷对卷压印工具中。附加地或可替代地，在注射成型工具、压花工具或卷对卷压印工具中使用的工具或其一部分例如由钢或钢合金制成，这非常适合于部件的大规模制造。本领域技术人员将理解，这样的插入物和/或工具可以被涂覆和/或表面处理以提高性能和耐用性。

在第四方面，本发明涉及一种被配置为用于根据第二方面制造部件的聚合物注射成型工具、聚合物压花工具或聚合物卷对卷压印工具，其包括图案化表面，所述图案化表面用于模制根据第一方面的呈现微纳米分级图案化结构的疏水性液体接触表面部分。

在又一方面，本发明涉及一种被配置成用于处理液体和/或能够被液体接触的部件，所述部件包括至少一个液体接触表面部分，其中所述液体接触表面部分呈现微纳米分级图案化结构，所述结构包括：

-均匀分布的微米尺寸柱，

-在所述纳米尺寸柱的上表面的纳米尺寸突起，所述突起以非周期性的不规则图案定位。该方面可以与第二至第四方面中的任何一方面相结合，即该部件不与疏水性液体接触表面部分一体形成，

本发明的上述方面可以以任何合适的组合进行组合。另外，本文的各种特征可以与上述方面中的一个或多个相结合，以提供除了具体说明和描述的那些之外的组合。从权利要求、具体实施方式和附图中，本发明的其他目的和有利特征将变得显而易见。

另一方面涉及通过形成含有超疏水表面结构的模板并将该结构转移到部件来制造分级结构，所述制造方法包括标准UV光刻和干蚀刻以在Si晶片中图案化微米尺寸柱(第一级)以及标准DUV光刻和干蚀刻以图案化纳米尺寸柱(第二级)的步骤。纳米尺寸突起(第三级)可以通过黑硅工艺制造。具有三级结构的Si晶片可以直接用于复制到塑料聚合物中，或者可以复制到用于聚合物复制的Ni垫片/钢模具/聚合物模具中。Si晶片中图案的极性(柱或孔)取决于复制步骤的数量。

可使用纳米压印、压花(包括热压花)、注射成型、卷对卷(R2R)复制或其他类似技术复制到塑料聚合物中。

附图说明

参考以下附图，将更好地理解本发明的特征和优点，其中：

-图1a-1c示出了根据本发明的用作疏水性液体接触表面部分的第一微纳米分级图案化结构，

-图2示出了根据本发明的用作疏水性液体接触表面部分的第二微纳米分级图案化结构，

-图3示出了根据本发明的用作疏水性液体接触表面部分的第三微纳米分级图案化结构，

-图4示出了根据现有技术的用作疏水性液体接触表面部分的微纳米分级图案化结构，

-图5是超疏水表面的自清洁效果示意图，以及

-图6示出了超疏水表面的减阻。

附图的具体说明

图1a-1c示出了根据本发明的用作饮料分配设备的部件中的疏水性液体接触表面部分的第一微纳米分级图案化结构。为了测试该结构的性能，所述结构在聚丙烯箔中制成。呈现反向设计的Ni印模用于在塑料箔中压花该结构。在通过整体引用并入本文的WO 2013/131525中已知并描述了用于制造镍印模和压花聚丙烯塑料的方法，该方法用于具有微米结构和在其顶部的纳米草纳米结构的两个层。

图1a-1c示出了分级结构的SEM(扫描电子显微镜)图像。在这些图像中，视图是倾斜的，这意味着根据视图采取的角度，柱和突起可以看起来比现实中稍大或比现实中的高度小。

图1a是倾斜的SEM图像，示出了沿行和列的矩阵均匀分布的微米尺寸方形柱1。这些柱是完全相同的，且高度H_m为40μm，宽度W_m为40μm。柱以115μm的间距D_m(中心到中心的距离)彼此分开。

图1b是图1a的一个柱的放大倾斜SEM视图：它示出了位于微米尺寸柱1的上表面的纳米尺寸柱2。这些纳米尺寸柱沿行和列的矩阵均匀分布。相邻行彼此偏移。这些柱是完全相同的。

图1c是图1b的几个纳米尺寸柱的放大照片：纳米尺寸柱2呈现高度h_n为750nm的圆形截面。柱略呈圆锥形，底部的圆形延伸至柱的顶部。底部的宽度w_n为500nm。柱在底部以750nm的最大间距d_n彼此分开。

图1c的照片示出了纳米尺寸柱的上表面。上表面包括纳米尺寸突起3：这些纳米尺寸突起呈现不规则的高度，但这些高度保持在100至400nm之间。这些纳米尺寸突起在柱的上表面的密度为约10⁷个突起/mm²。然而，密度可以为至少10⁵个突起/mm²、至少10⁶个突起/mm²、至少10⁷个突起/mm²、至少10⁸个突起/mm²。这些突起以非周期性的不规则图案定位。

图2是示出了根据本发明的用作在饮料分配器的部件中的疏水性液体接触表面部分的第二微纳米分级图案化结构的照片。

图2是圆柱形微米尺寸柱1的放大倾斜SEM视图，圆柱形纳米尺寸柱2从微米尺寸柱1的上表面升起。这些微米尺寸柱1沿行和列的矩阵均匀分布。相邻行彼此偏移。这些柱是完全相同的。在该放大倍数下纳米尺寸柱2顶部的纳米尺寸突起在照片中不可见，但是它们存在。这些纳米尺寸突起呈现与图1c结构中呈现的相同的特征。

微米尺寸圆柱形柱1沿行和列的矩阵均匀分布。柱1是完全相同的，且高度H_m为20μm，宽度W_m为5μm。柱以15μm的间距D_m(中心到中心的距离)彼此分开。

纳米尺寸圆柱形柱2沿行和列的矩阵均匀分布。柱2是完全相同的，且高度h_n为750nm，宽度w_m为500nm。柱以750nm的间距d_n(中心到中心的距离)彼此分开。

图3是示出了根据本发明的用作在饮料分配器的部件中的疏水性液体接触表面部分的第三微纳米分级图案化结构的照片。

图3是圆柱形微米尺寸柱1的放大倾斜SEM视图，稍微可见的圆柱形纳米尺寸柱2从微米尺寸柱1的上表面升起。这些微米尺寸柱1沿行和列的矩阵均匀分布。相邻行彼此偏移。这些柱是完全相同的。在该放大倍数下纳米尺寸柱2顶部的纳米尺寸突起在照片中不可见，但是它们存在。这些纳米尺寸突起呈现与图1c结构中呈现的相同的特征。

微米尺寸圆柱形柱1沿行和列的矩阵均匀分布。柱1是完全相同的，并已经由呈现反向设计的Ni印模制造，以产生高度H_m为30μm且宽度W_m为5μm的柱1。但是，在从Ni印模移除丙烯箔的步骤期间，柱1被拉伸，导致柱的最终高度略高。柱以15μm的间距D_m(中心到中心的距离)彼此分开。

纳米尺寸圆柱形柱2沿行和列的矩阵均匀分布。柱2是完全相同的，并类似于柱1已经在制造步骤期间被拉伸；Ni印模被配置成产生高度h_n为750nm且宽度w_m为500nm的柱2。柱以750nm的间距d_n(中心到中心的距离)彼此分开。

图4是示出了根据现有技术的用作疏水性液体接触表面部分的微纳米分级图案化结构的照片。

图4是倾斜的SEM图像，示出了沿六边形阵列中的行和列的矩阵均匀分布的微米尺寸圆柱形柱1。所有的柱都是完全相同的，且高度H_m为16μm，直径W_m为18μm。柱以50μm的间距D_m彼此分开。

在该放大倍数下微米尺寸柱1顶部的纳米尺寸突起3在所示的图中不可见，但是它们存在。测量了在10⁷个突起/mm²的密度下高度为200至400nm的纳米尺寸突起。这些突起以非周期性的不规则图案定位。

图5是超疏水表面的自清洁效果示意图。在典型表面上，液滴或多或少地固定在表面上。在超疏水表面上，液滴沿表面滚动。污物颗粒被液滴捕获并输送到表面边缘，在那里它们从表面逸出并保持表面清洁。

图6示出了超疏水表面的减阻。该图示出了流过表面的液体速度分布。在经典表面上，接近表面的液体速度为零或接近于零。在超疏水表面上，液体与表面的接触面积很小。这造成液体以接近表面的液体的非零速度在表面上滑动。这导致流过液体的物体上阻力减小，并且当液体流过表面时流动阻力减小。

实施例

用热饮测试了图1a-1c、2、3和4中描述的塑料箔片的疏水性。

测试程序由以下组成：

-先用乙醇再用去离子水清洁箔片，

-根据与水平面成5°或45°的倾斜角来定位箔片，即在饮料分配器的部件内再现非常小的倾斜，

-在箔片上手动放置(体积为50μL)热饮液滴。热饮的温度为70℃，由水、咖啡、脱脂牛奶、全脂牛奶或巧克力组成，以及

-观察液滴在箔片表面的移动。

本发明的结果明显优于现有技术的解决方案，例如WO 2013/131525。这种结构增加了表面的疏水性，但通常不为热液体提供自清洁表面。本发明的三级结构导致高的多的接触角、更低的滚落角和对浸入水中和撞击液滴更稳定的表面。

超疏水表面的用途

通常，超疏水表面具有自清洁、减阻、抗凝和抗菌的特性。这些特性的价值在一系列不同的应用领域都很重要：

1.医疗：医疗装置，包括眼镜、处方镜片、手表、助听器、造口袋系统、内窥镜、贴片、绷带和假肢。

2.水上运输，包括船只和船舶的表面。在这个领域，减阻直接与增加速度的燃料减少相关联。减阻来自表面本身的低阻力系数和持续保持表面清洁光滑的自清洁效果。

3.配水系统,包括管、管道和微流体系统。在这些系统中，降低的阻力系数增加了系统的流量，而自清洁效果确保系统保持清洁没有沉积物。此外，抗菌效果防止系统被例如有害细菌污染。

4.水上运动，包括减少设备和衣物的摩擦。在这个领域，该表面的价值主要是减少阻力以改善性能。摩擦力较小的冲浪板、泳衣等将不可避免地导致性能的提高。

5.盛水容器，包括箱、瓶、罐、桶等。在这个领域，自清洁和抗菌效果主要对于保持容器清洁和不受细菌污染是重要的。

6.工业设备，包括加热器、锅炉、热交换器、泵、压缩机：对于这些用途，重要的是减少可能限制性能的水中沉积物。同样，减少摩擦对于在例如泵和压缩机中的容量和能量使用也是重要的。在某些情况下，通过抗凝特性来防止冷凝将提高热交换器和压缩机的效率，因为它们可以更接近甚至超过冷凝极限运行。

7.家用电器，包括洗衣机、洗碗机、冰箱等：表面的自动清洁将有助于保持机器在视觉表面和内部的干净整洁。众所周知，清洁的机器寿命更长且能耗更低。

8.透明表面，包括镜子、显示器、仪表板、窗户(也包括汽车):所有这些用途都依赖于干净透明的表面。抗凝性减少了降低透明度的水分形成，减少的摩擦将使液滴容易从表面滚落，且自清洁效果将确保表面的污垢随液滴一起被移除。

9.食品设备，包括工业设备：自清洁表面对于限制与机器清洁相关的能源使用是重要的，并且将防止有害细菌的污染。用于储存、运输和提供食物的托盘、篮子、板条箱可以变得更容易清洗。

10.饮料分配器，包括液体存储器，特别是存储器的内壁。

11.包装：在某些情况下，需要采用减少湿气、水汽和水进入风险的包装。带有抗凝表面的包装材料将有助于防止这种情况。

12.玩具，包括婴儿玩具和水上玩具：这些玩具通常具有形成可能含有有害细菌的生物膜的趋势。自清洁表面将有助于防止这种情况。

13.户外照明(包括汽车)：这些用途依赖于干净透明的表面，使光线不受干扰地从设备中逸出。抗凝性减少了降低透明度的水分形成，减少的摩擦将使液滴容易从表面滚落，且自清洁效果将确保表面的污垢随液滴一起被移除。

14.用于生物医学或液体分析的芯片实验室系统或微流体设备：超疏水表面性能有助于控制液体流动。

15.废物减少和可回收性：可以更容易地清空医疗容器，从而确保患者接收所有处方药。可以更容易地清空食物容器，这减少了食物浪费，并且因为容器是清洁的，使其更适合回收。

尽管已经参照上述实施方案描述了本发明，但是应当理解，所要求保护的本发明不以任何方式受到这些所述实施方案的限制。

在不脱离权利要求中限定的本发明的范围的情况下，可以进行变化和修改。此外，在存在特定特征的已知等同物的情况下，这样的等同物被并入，就如在本说明书中具体提到一样。

如本说明书中所用，词语“包含(comprises)”、“包含(comprising)”和类似的词语不应被解释为排他性或穷尽性的。换句话说，它们旨在表示“包括但不限于”。

附图中的标记清单：

微米尺寸柱 1

纳米尺寸柱 2

纳米尺寸突起 3

Claims

1.一种被配置成用于处理液体和/或能够被液体接触的部件，所述部件包括至少一个液体接触表面部分，所述部件与所述液体接触表面部分一体形成，其中所述液体接触表面部分呈现微纳米分级图案化结构，所述结构包括：

-均匀分布的微米尺寸柱(1)，

-在所述微米尺寸柱(1)的上表面均匀分布的纳米尺寸柱(2)，优选地所述柱(2)的尺寸小于1微米，和

-在所述纳米尺寸柱(2)的上表面的纳米尺寸突起(3)，所述突起以非周期性的不规则图案定位。

2.根据权利要求1所述的部件，其中所述微纳米分级图案化结构包括：

-均匀分布的微米尺寸柱(1)，其高度为至少3μm，优选5至50μm，

-在所述微米尺寸柱(1)的上表面均匀分布的纳米尺寸柱(2)，其高度为500nm至1000nm，优选600至800nm，和/或

-在所述纳米尺寸柱(2)的上表面的纳米尺寸突起(3)，其高度为50至400nm。

3.根据前述权利要求中任一项所述的部件，其中所述微纳米分级图案化结构包括在所述部件的表面上的至少三个不同高度级，以下中的每一种由此在部件的表面上或整个表面上以基本上独立且不重叠的高度间隔区间定位

-所述均匀分布的微米尺寸柱(1)，

-所述均匀分布的纳米尺寸柱(2)，和

-所述纳米尺寸突起(3)。

4.根据权利要求1所述的部件，其中所述纳米尺寸突起(3)的密度为至少10⁵个突起/mm²，并且所述非周期性的不规则图案源自模制、压花或铸造形式，所述模制、压花或铸造形式具有来自半导体材料的相应的非周期性的不规则图案，所述半导体材料具有呈所述非周期性的不规则图案的等效的纳米草表面结构。

5.根据前述权利要求中任一项所述的部件，其中所述部件至少部分地由聚合物制成，并且优选通过注射成型压花或卷对卷压印来生产。

6.根据前述权利要求中任一项所述的部件，其中所述微纳米分级图案化结构在注射成型操作、压花或卷对卷压印期间压印在所述部件的表面。

7.一种呈现微纳米分级图案化结构的疏水性液体接触表面部分在用于处理温度至少为35摄氏度的液体的至少一种部件中的用途，所述部件与所述疏水性液体接触表面部分一体形成，所述结构包括：

-均匀分布的微米尺寸柱(1)，和

-在所述微米尺寸柱的上表面均匀分布的纳米尺寸柱(2)，和

-在所述纳米尺寸柱的上表面的纳米尺寸突起(3)，所述突起以非周期性的不规则图案定位。

8.根据前一权利要求所述的用途，其中所述用于处理液体的部件应用于:

液体加工、运输、处理或储存，优选地液体是水或一种或多种水基液体，包括任何微流体装置，

-透明表面和具有透明表面的部件，

-医疗装置，或

-食品和饮料处理，包括包装。

9.一种制造根据前述权利要求中任一项所述的聚合物部件的制造方法，所述方法包括：

-形成用于液体处理的聚合物部件，所述聚合物部件具有呈现微纳米分级图案化结构的液体接触表面部分，所述聚合物部件与所述液体接触表面部分一体形成，

所述结构包括：

o-均匀分布的微米尺寸柱(1)，

o-在所述微米尺寸柱的上表面均匀分布的纳米尺寸柱(2)，优选地所述柱(2)的尺寸小于1微米，和

o-在所述纳米尺寸柱的上表面的纳米尺寸突起(3)，所述突起以非周期性的不规则图案定位。

10.根据权利要求9所述的制造方法，其中在制造之前，用附接到工具内表面的中间金属插入物例如Ni垫片来执行将所述分级图案化结构转移到注射成型工具、压花工具或卷对卷压印工具中。

11.根据权利要求9或10所述的制造方法，其中所述注射成型工具、压花工具或卷对卷压印工具由钢或钢合金制成。

12.一种被配置为用于根据权利要求9至11中任一项所述制造部件的聚合物注射成型工具、聚合物压花工具或聚合物卷对卷压印工具，其包括图案化表面，所述图案化表面用于模制根据权利要求1至6中任一项所述的呈现微纳米分级图案化结构的疏水性液体接触表面部分。