DE202023000325U1

DE202023000325U1 - Superhydrophobic modular structure

Info

Publication number: DE202023000325U1
Application number: DE202023000325.3U
Authority: DE
Original assignee: Imos Gubela Ges mbH; IMOS Gubela GmbH
Current assignee: Imos Gubela Ges mbH; IMOS Gubela GmbH
Priority date: 2023-02-13
Filing date: 2023-02-13
Publication date: 2024-05-17
Anticipated expiration: 2033-02-14
Also published as: DE102023001224B3

Abstract

Bauteil (1) umfassend einen Grundkörper (3, 203, 303), der entlang einer Haupterstreckungsebene (11) verläuft, und mehrere Mikrostrukturelemente (5, 205, 305), die sich senkrecht zu der Haupterstreckungsebene (11) erheben oder senkrecht zur Haupterstreckungsebene Vertiefungen bilden und dem Bauteil (1) superhydrophobe Eigenschaften verleihen, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturelemente (5, 205, 305) räumlich voneinander getrennt sind und die Mikrostrukturelemente (5, 205, 305) in mindestens zwei verschiedenen Entfernungen von der Haupterstreckungsebene (11), die einer sich periodisch wiederholenden Funktion, insbesondere einer Sinusfunktion, folgen, enden und wobei das Bauteil modular in mehreren wiederholbaren Einzelelementen (13, 113, 213) aufgebaut ist.

Component (1) comprising a base body (3, 203, 303) which runs along a main extension plane (11), and a plurality of microstructure elements (5, 205, 305) which rise perpendicular to the main extension plane (11) or form depressions perpendicular to the main extension plane and impart superhydrophobic properties to the component (1), characterized in that the microstructure elements (5, 205, 305) are spatially separated from one another and the microstructure elements (5, 205, 305) end at at least two different distances from the main extension plane (11) which follow a periodically repeating function, in particular a sine function, and wherein the component is constructed modularly in a plurality of repeatable individual elements (13, 113, 213).

Description

Die Erfindung betrifft eine modulare Struktur mit superhydrophoben Eigenschaften.The invention relates to a modular structure with superhydrophobic properties.

In den letzten Jahren gewinnen Strukturen, die den sogenannten Lotus-Effekt aufweisen, immer mehr an Bedeutung. Beispielsweise wird dieser Effekt im Artikel „Lotus effect in wetting and self-cleaning“ Biotribology Volume 5, März 2016, Seiten 31-43 von Zhang et. al. besprochen. Auch die Patentliteratur weist eine steigende Zahl von Publikationen in diesem Gebiet auf.In recent years, structures that exhibit the so-called lotus effect have become increasingly important. For example, this effect is discussed in the article “Lotus effect in wetting and self-cleaning” Biotribology Volume 5, March 2016, pages 31-43 by Zhang et al. The patent literature also shows an increasing number of publications in this area.

Es sind viele verschiedene Fertigungsmethoden etabliert. Die EP 2 636 501 B1 (Inhaber: Mitsubishi Rayon Co Ltd., Prioritätstag: 26. Mai 2011) stellt ein Rolle-zu-Rolle Abformungs- und Aushärtungsverfahren für mikrostrukturierte Objekte vor. In der US 2007/0259156 A1 (Erfinder: Roger Kempers et. al., Anmeldetag: 3. Mai 2006) wird ein 3-d Druckverfahren insbesondere für zufällig verteilte Abstände vorgeschlagen.Many different manufacturing methods are established. EP 2 636 501 B1 (Owner: Mitsubishi Rayon Co Ltd., priority date: May 26, 2011) presents a roll-to-roll molding and curing process for microstructured objects. In the US 2007/0259156 A1 (Inventor: Roger Kempers et. al., filing date: May 3, 2006) a 3-D printing process is proposed, particularly for randomly distributed distances.

In der US 2017/0144202 A1 (Anmelder: The board of trustees of the University of Illinois, Prioritätstag: 17. Februar 2009) werden superhydrophobe Filme gezeigt, die eine selektive Kontrolle der hydrophoben Eigenschaften durch Biegung des Films zeigen, indem durch das Verbiegen der Abstand zwischen benachbarten Makrostrukturen variiert wird. Es werden Auswirkungen unterschiedlicher Abstände zylindrischer Mikrostrukturen auf den Benetzungswinkel diskutiert. Als Herstellungsverfahren wird Aushärten von Kunststoffen in Lithografisch hergestellten Formen beispielhaft erläutert.In the US 2017/0144202 A1 (Applicant: The board of trustees of the University of Illinois, priority date: February 17, 2009) shows superhydrophobic films that demonstrate selective control of the hydrophobic properties by bending the film by varying the distance between neighboring macrostructures. The effects of different distances between cylindrical microstructures on the wetting angle are discussed. Curing plastics in lithographically produced molds is explained as an example of a production process.

Die Literatur befasst sich kaum mit den Eigenschaften erhabener oder gekrümmter Oberflächen, die superhydrophobe Eigenschaften haben sollen. Meist werden nur flache Objekte besprochen. Eine Ausnahme bildet die US 2012/0177881 A1 Erfinder: Sen Yung Lee et. Al, Prioritätstag 11. Januar 2011) in der eine superhydrophobe Mikrostruktur auf einem Basiskörper mit mehreren Hervorstehungen unterschiedlicher Höhe offenbart wird und Möglichkeiten zur Massenfertigung wie Prägen und Mikro/Nano Imprint Lithographie vorgeschlagen werden, die Entlüftungsprobleme vermeiden sollen.The literature hardly deals with the properties of raised or curved surfaces that are supposed to have superhydrophobic properties. Usually only flat objects are discussed. One exception is the US 2012/0177881 A1 Inventor: Sen Yung Lee et al., priority date January 11, 2011) in which a superhydrophobic microstructure on a base body with multiple protrusions of different heights is disclosed and possibilities for mass production such as embossing and micro/nano imprint lithography are proposed to avoid venting problems.

Der Offenbarungsgehalt dieser Druckschriften wird in diese Anmeldung einbezogen.The disclosure content of these publications is incorporated into this application.

Es kann zwischen unterschiedlichen Effekten unterschieden werden, die auf hydrophoben Eigenschaften eines Materials mit Mikrostrukturen basieren. Zum einen kann durch das Abperlen großer Flüssigkeitstropfen ein selbstreinigender Effekt erzielt werden, zum anderen kann die Kondens- und Nebelbildung auf mit Mikrostrukturen versehenen Oberflächen vermieden werden, um so den Beschlag und die Beeinträchtung von Sichtverhältnissen durch die behandelten Flächen hindurch oder in Reflexion an diesen zu verhindern.A distinction can be made between different effects based on the hydrophobic properties of a material with microstructures. On the one hand, a self-cleaning effect can be achieved by the beading of large liquid drops, and on the other hand, the formation of condensation and mist on surfaces with microstructures can be avoided in order to prevent fogging and the impairment of visibility through the treated surfaces or in reflection from them.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine superhydrophobe Struktur zu schaffen, die einfach mittels Massenfertigung herstellbar ist, die leicht entformbar ist und die sich einfach replizieren lässt und modular aufgebaut ist.The invention is based on the object of creating a superhydrophobic structure which can be easily produced by mass production, which is easy to demold, which is easy to replicate and which has a modular structure.

Diese Aufgabe wird durch ein Bauteil gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Verwendungsmöglichkeiten eines solchen Bauteils werden in Anspruch 11 aufgezeigt. Anspruch 12 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung. Weitere Aspekte der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen erörtert.This object is achieved by a component according to claim 1. The possible uses of such a component are shown in claim 11. Claim 12 describes a method for production. Further aspects of the invention are discussed in the dependent claims.

Hydrophobe Strukturen bilden zu einem Wassertropfen einen Benetzungswinkel größer als 90°. Als superhydrophob sind Strukturen definiert, auf denen ein Wassertropfen einen Benetzungswinkel größer als 105° bilden.Hydrophobic structures form a wetting angle of more than 90° with a water droplet. Structures on which a water droplet forms a wetting angle of more than 105° are defined as superhydrophobic.

Ein erfindungsgemäßes Bauteil weist einen Grundkörper auf. Der Grundkörper kann beispielsweise eine Folie, ein durchsichtiges und/oder ein reflektierendes Objekt sein. Bei makroskopischer Betrachtung ist der Grundkörper vorzugsweise näherungsweise flach. Das heißt eine Ausdehnung des Grundkörpers in eine Raumrichtung ist um mindesten den Faktor 5 kleiner als eine Ausdehnung in die beiden anderen Raumrichtungen. Die beiden Raumrichtungen, in denen die Ausdehnung des Grundkörpers am größten ist, spannen eine Haupterstreckungsebene auf. Im Falle einer aufgerollten Folie oder einer sonstigen aufgerollten Fläche bezieht sich der Begriff Haupterstreckungsebene auf den abgerollten flachen Zustand. Als z-Richtung wird in dieser Anmeldung die Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene angesehen. Ein Nullpunkt der z-Achse bildet das Minimum aus allen Schnittkanten der Mikrostrukturelemente mit dem Grundkörper. Eine Oberfläche die in einer Richtung also zum Beispiel einer x - Richtung uneben ist wird hier als gekrümmt bezeichnet eine Oberfläche, die in zwei Richtungen also in x und y- Richtung uneben ist, wird als gewölbt bezeichnet.A component according to the invention has a base body. The base body can be, for example, a film, a transparent and/or a reflective object. When viewed macroscopically, the base body is preferably approximately flat. This means that an extension of the base body in one spatial direction is at least a factor of 5 smaller than an extension in the other two spatial directions. The two spatial directions in which the extension of the base body is greatest span a main extension plane. In the case of a rolled-up film or other rolled-up surface, the term main extension plane refers to the unrolled flat state. In this application, the z-direction is considered to be the direction perpendicular to the main extension plane. A zero point of the z-axis forms the minimum of all cutting edges of the microstructure elements with the base body. A surface that is uneven in one direction, for example the x-direction, is referred to as curved. A surface that is uneven in two directions, for example the x and y-direction, is referred to as arched.

Senkrecht zur Haupterstreckungsebene erheben sich aus dem Grundkörper eine Vielzahl von Mikrostrukturelementen oder bilden alternativ Vertiefungen im Grundkörper. Diese Mikrostrukturerlemente erhöhen den Kontaktwinkel zu einem Flüssigkeitstropfen insbesondere zu einem Wassertropfen und verleihen dem erfindungsgemäßen Bauteil so superhydrophobe Eigenschaften.A large number of microstructure elements rise from the base body perpendicular to the main extension plane or alternatively form depressions in the base body. These microstructure elements increase the contact angle with a liquid drop, in particular with a water drop, and thus give the component according to the invention superhydrophobic properties.

Zur Vermeidung scharfer Kanten sind die Mikrostrukturelemente räumlich voneinander getrennt. Sie bilden also keine zusammenhängende Einheit. Mit Verrundungen lässt ist das erfindungsgemäße Bauteil einfacher und in stabiler Form in einem Zweiphotonenpolymerisationsprozess herstellen.To avoid sharp edges, the microstructure elements are spatially separated separated. They therefore do not form a coherent unit. With roundings, the component according to the invention can be produced more easily and in a stable form in a two-photon polymerization process.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Bauteil modular aufgebaut ist, also mehrere Einzelelemente wie nach dem Baukastenprinzip zusammengefügt. Die Einzelelemente sind also für sich genommen gleich aufgebaut und bilden durch ihre mehrfache aneinandergereihte Wiederholung das erfindungsgemäße Bauteil. Dadurch dass eine sich wiederholende periodische Funktion zur Abbildung von Unterschieden der vom Grundkörper entfernten Enden der Mikrostrukturelemente in z-Richtung gewählt werden, wird dieser modulare Aufbau begünstigt. Die unterschiedlichen Abstände der Enden der Mikrostrukturelemente in Z-Richtung vergrößern den Kontaktwinkel der Flüssigkeitstropfen, verstärken die wasserabweisende Wirkung und verringern die Kontaktfläche zwischen Tropfen und Mikrostrukturelementen.According to the invention, the component is designed to be modular, i.e. several individual elements are put together as if according to the modular principle. The individual elements are therefore constructed in the same way and form the component according to the invention by being repeated several times in a row. This modular structure is promoted by choosing a repeating periodic function to represent differences in the ends of the microstructure elements that are remote from the base body in the z-direction. The different distances between the ends of the microstructure elements in the z-direction increase the contact angle of the liquid drops, increase the water-repellent effect and reduce the contact area between the drops and the microstructure elements.

Die Mikrostrukturelemente können eine oder mehrere Formen annehmen ausgewählt aus der Gruppe zylindrischer oder kegel(stupf)förmiger Strukturen oder die Form eines sich senkrecht zur Haupterstreckungsachse ausdehnenden Polygons aufweisen. Die Mikrostrukturelemente können in ihrem Verlauf senkrecht zur Haupterstreckungsachse einen konstanten Durchmesser, bzw. eine konstante laterale Abmessung aufweisen oder sich verjüngen. Sich verjüngende Strukturen haben den Vorteil, dass sie sich beim Prägen oder Spritzprägen leichter entformen lassen. Beispiele hierfür sind zylinderförmige Säulen oder spitz pyramidal zulaufende Nadeln. Mit spitz zulaufenden Strukturen ist ein noch größerer Benetzungswinkel möglich sofern nicht die Oberflächenspannung des Tropfens zerstört wird. Strukturen, bei denen die laterale Abmessung in z-Richtung konstant ist, weisen eine größere Stabilität auf. Zylindrische oder kegelfömige Strukturen lassen sich durch die Symmetrie einfacher herstellen. Strukturen mit einer Polygonalen Projektion in die Haupterstreckungsebene, insbesondere mit einer rechteckigen schachbrettartigen Grundstruktur haben den Vorteil, dass negative Abformungen gleich aussehen wie positive Formen. Das heißt, anders als bei zylinderförmigen Mikrostrukturelementen werden im negativ aus Erhebungen zwar auch Löcher, jedoch wird das Schachbrettmuster beibehalten. Dies ist besonders von Vorteil, wenn genau eine hälftige Aufteilung einer Grundfläche in der Haupterstreckungsebene zwischen den Erhebungen der Mikrostrukurelemente und den Tälern erzielt werden soll, die dann auch im negativ beibehalten wird.The microstructure elements can take on one or more shapes selected from the group of cylindrical or conical (stump)-shaped structures or have the shape of a polygon extending perpendicular to the main axis of extension. The microstructure elements can have a constant diameter or a constant lateral dimension in their course perpendicular to the main axis of extension, or they can taper. Tapered structures have the advantage that they are easier to demold during embossing or injection-compression molding. Examples of these are cylindrical columns or pointed, pyramidal needles. With tapered structures, an even larger wetting angle is possible provided the surface tension of the drop is not destroyed. Structures in which the lateral dimension in the z direction is constant have greater stability. Cylindrical or conical structures are easier to produce due to their symmetry. Structures with a polygonal projection into the main plane of extension, especially with a rectangular checkerboard-like basic structure, have the advantage that negative impressions look the same as positive shapes. This means that, unlike with cylindrical microstructure elements, in the negative, elevations also become holes, but the checkerboard pattern is retained. This is particularly advantageous if a base area in the main plane of extension is to be divided exactly in half between the elevations of the microstructure elements and the valleys, which is then also retained in the negative.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung habe alle Mikrostrukturelemente die gleiche Höhe, die als Ausdehnung zwischen dem Berührpunkt zum Grundkörper und dem vom Grundkörper entfernten Ende definiert ist, enden aber aufgrund einer Krümmung oder Wölbung einer Oberfläche des Grundkörpers in einem unterschiedlichen Höhenabstand zur Haupterstreckungsebene, also an einem unterschiedlichen Punkt in z- Richtung, die senkrecht zur Haupterstreckungsebene verläuft. Die Krümmung, bzw. Wölbung der Oberfläche lässt sich als periodische Funktion beschreiben. Beispiele für solche Funktionen sind im einfachsten Fall sinusförmige Oberflächen. Da sich gemäß dem Satz von Fourier alle periodischen Funktionen als Reihen von Sinus-Funktionen darstellen lassen, und die Beschränkungen dann in der Herstellung liegen sind selbstverständlich auch Oberwellen mitgemeint. Die Mikrostrukturelemente befinden sich auf unterschiedlichen Phasenlagen der gekrümmten Oberfläche. Hierbei wird die Änderung des Grundkörpers über den Durchmesser des Mikrostrukturelements bei der Messung der Höhe vernachlässigt. In der Herstellung ist dies durch die 3-d-Druck ähnliche Zweiphotonenpolymerisation allerdings ausgeglichen.According to one embodiment of the invention, all microstructure elements have the same height, which is defined as the extension between the point of contact with the base body and the end remote from the base body, but due to a curvature or curvature of a surface of the base body, they end at a different height distance from the main extension plane, i.e. at a different point in the z-direction that runs perpendicular to the main extension plane. The curvature or curvature of the surface can be described as a periodic function. Examples of such functions are, in the simplest case, sinusoidal surfaces. Since, according to Fourier's theorem, all periodic functions can be represented as series of sine functions, and the limitations then lie in the production, harmonics are of course also included. The microstructure elements are located at different phase positions of the curved surface. Here, the change in the base body over the diameter of the microstructure element is neglected when measuring the height. In production, however, this is compensated for by the two-photon polymerization similar to 3D printing.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden unterschiedliche Endpunkte auf einer ebenen Oberfläche des Grundkörpers durch unterschiedliche Höhen der Mikrostrukturelemente erzielt. Dies kann zum Beispiel durch individuelle Herstellung jedes einzelnen Mikrostrukturelements auf dem Grundkörper, beispielsweise mittels Zweiphotonenpolymerisation realisiert werden. So können die Mikrostrukturelemente mit einer sinusförmigen Höhenverteilung über dem Grundkörper angebracht sein. Die Mikrostrukturelemente unterscheiden sich in ihrer Höhe um die Phasenlage auf dem Grundkörper. Die Höhe folgt also einer periodischen Funktion, insbesondere einer Sinusfunktion. Hierbei kann es sich auch um eine Funktion f(x,y) handeln, die sich in zwei Raumrichtungen periodisch wiederholt. Wenn die Wellenlängen in x- und y- Richtung unterschiedlich ist kann eine Vorzugsrichtung festgelegt werden, in der die Flüssigkeitstropfen abperlen sollen.According to another embodiment of the invention, different end points on a flat surface of the base body are achieved by different heights of the microstructure elements. This can be achieved, for example, by individually producing each individual microstructure element on the base body, for example by means of two-photon polymerization. The microstructure elements can thus be attached with a sinusoidal height distribution above the base body. The height of the microstructure elements differs by the phase position on the base body. The height therefore follows a periodic function, in particular a sine function. This can also be a function f(x,y) that repeats periodically in two spatial directions. If the wavelengths in the x and y directions are different, a preferred direction can be specified in which the liquid drops should roll off.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die laterale Abmessung der Mikrostrukturelemente zwischen 2 µm und 10 µm. Als laterale Abmessung ist die größte Ausdehnung eines Mikrostrukturelements in einer zur Haupterstreckungsebene komplanaren Ebene definiert. Sofern nichts anderes erwähnt wird, ist die laterale Abmessung in der mittleren Höhe der Schnittkante des Mikrostrukturelements mit der Oberfläche des Grundkörpers gemeint. Im Falle von zylindrischen, säulenartigen Mikrostrukturelementen ist mit dem Begriff „laterale Abmessung“ der Durchmesser gemeint im Falle rechteckiger Mikrostrukturelemente die größte Kantenlängen.According to one aspect of the invention, the lateral dimension of the microstructure elements is between 2 µm and 10 µm. The lateral dimension is defined as the largest extension of a microstructure element in a plane coplanar to the main extension plane. Unless otherwise stated, the lateral dimension is meant at the average height of the cutting edge of the microstructure element with the surface of the base body. In the case of cylindrical, columnar microstructure elements, the term "lateral dimension" means the diameter; in the case of rectangular microstructure elements, the largest edge length.

Zur Erzielung des wasserabweisenden Effekts haben sich Höhen der Mikrostrukturelemente zwischen 8 µm und 20 µm als geeignet herausgestellt. Besonders geeignet sind Höhen um 10 µm, die ggf. um die Amplitude der sich periodisch wiederholenden Funktion variieren.To achieve the water-repellent effect, heights of the microstructure elements between 8 µm and 20 µm have proven to be suitable. Heights of around 10 µm are particularly suitable, which may vary by the amplitude of the periodically repeating function.

Die Mikrostrukturelemente haben untereinander einen Abstand (25) zwischen 1 und 30 µm vorzugsweise einen Abstand zwischen 8 und 15 µm besonders bevorzugt einen Abstand von 10 µm. Als Abstand zwischen zwei Mikrostrukturelementen ist die kürzeste laterale Entfernung entlang eines Vektors der in der Haupterstreckungsebene liegt, also zum Beispiel entlang des x- oder y- Vektors oder entlang einer Linearkombination daraus, zwischen zwei Kanten, die die jeweiligen Mikrostrukturelemente mit der Oberfläche des Grundkörpers bilden, definiert. Gemäß einem Aspekt kann bei Abständen zwischen 5 und 30 µm ein selbstreinigender Effekt erzielt werden, indem abperlende Flüssigkeitstropfen, die an den Rand des Bauteils geleitet werden Schmutzpartikel mitreißen. Bei geringeren Abständen zwischen den Mikrostrukturelementen zwischen 1 µm und 5 µm kann die Kondensbildung durch Nebeltröpfchen noch effektiver verhindert werden, indem sich bildende Nebeltröpfchen durch die engeren Abstände auseinandergerissen werden und dann durch die hydrophoben Eigenschaften schnell von dem Bauteil heruntergedrängt werden. Noch stärker lässt sich dieser Effekt ausnutzen, wenn die Mikrostrukturelemente als Negativ also als Vertiefungen ausgebildet sind. Allerdings ist in dieser Konfiguration die Mitnahme größerer Schmutzpartikel stark eingeschränkt.The microstructure elements have a distance (25) between them of between 1 and 30 µm, preferably between 8 and 15 µm, particularly preferably between 10 µm. The distance between two microstructure elements is defined as the shortest lateral distance along a vector that lies in the main extension plane, for example along the x or y vector or along a linear combination thereof, between two edges that form the respective microstructure elements with the surface of the base body. According to one aspect, a self-cleaning effect can be achieved with distances between 5 and 30 µm, in that liquid drops that roll off and are directed to the edge of the component entrain dirt particles. With smaller distances between the microstructure elements between 1 µm and 5 µm, the formation of condensation by mist droplets can be prevented even more effectively, as the mist droplets that form are torn apart by the narrower distances and are then quickly pushed off the component by the hydrophobic properties. This effect can be exploited even more if the microstructure elements are designed as negatives, i.e. as depressions. However, in this configuration, the entrainment of larger dirt particles is greatly restricted.

Die Abstände zwischen den Mikrostrukturelementen variieren gemäß einer Ausführungsform. Dies kann zum Beispiel durch einen vorgegeben mittleren Abstand und einer vorgegebenen Standardabweichung des Abstands realisiert werden. Die Abstände sind dann normalverteilt und statistisch. Die Abstände der Mikrostrukturelemente können auch eine Gradientenstruktur aufweisen zum Beispiel an einem Rand des Bauteils größere Werte haben als an einem davon entfernten Ende. Dadurch können sich Wassertropfen gezielt in eine Richtung ablenken lassen. Auch andere gezielte und definierte Distributionen der Mikrostrukturelemente sind denkbar.The distances between the microstructure elements vary according to one embodiment. This can be achieved, for example, by a predetermined mean distance and a predetermined standard deviation of the distance. The distances are then normally distributed and statistical. The distances between the microstructure elements can also have a gradient structure, for example, have larger values at one edge of the component than at an end further away from it. This allows water drops to be deflected in a targeted direction. Other targeted and defined distributions of the microstructure elements are also conceivable.

Materialien, aus denen erfindungsgemäße Bauteile gefertigt werden sind beispielsweise PMMA, ACRYL, PP, PE-HD oder PEEK.Materials from which components according to the invention are manufactured include PMMA, ACRYLIC, PP, PE-HD or PEEK.

Ein konkretes Beispiel für die Parameter eines erfindungsgemäßen Bauteils ist sinusförmig gewölbten Grundkörpers mit einer Wellenlänge von 30 µm und einer Krümmungsamplitude von 3 µm mit säulenartigen zylindrischen Mikrostrukturelementen, die im Abstand von 10 µm angeordnet sind und einen über die Höhe konstanten Durchmesser von 5 µm aufweisen. In diesem Beispiel beträgt der Unterschied zwischen der Höhe zweier benachbarter Mikrostrukturelemente bis zu 3 µm.A concrete example of the parameters of a component according to the invention is a sinusoidally curved base body with a wavelength of 30 µm and a curvature amplitude of 3 µm with columnar cylindrical microstructure elements that are arranged at a distance of 10 µm and have a constant diameter of 5 µm over the height. In this example, the difference between the height of two adjacent microstructure elements is up to 3 µm.

Erfindungsgemäße Bauteile können beispielsweise als Folien, auf optischen Elementen zum Beispiel im Straßenverkehr für Duschkabinen oder in feuchten Umgebungen verwendet werden.Components according to the invention can be used, for example, as films, on optical elements, for example in road traffic, for shower cubicles or in humid environments.

Zur Herstellung des modularen Bauteils ist erfindungsgemäß vorgesehen mehrere Einzelelemente bereitzustellen, die Einzelelemente in einem Muster anzuordnen und diese dann zusammenzufügen.To produce the modular component, the invention provides for providing several individual elements, arranging the individual elements in a pattern and then assembling them.

Ein mögliches Verfahren zur Herstellung der Einzelelemente, die repliziert werden sollen ist die Zwei Photonen-Lithographie oder Zwei Photonenpolymerisation. Dabei wird ausgenutzt, dass für eine Frequenzverdoppelung einer Anregungsquelle zum Beispiel eines Lasers im sichtbaren oder nahinfraroten Spektralbereich sehr hohe Intensitäten bzw. eine sehr große Photonendichte erforderlich ist. Diese Photonendichte wird nur im Fokus eines ultrakurzen Laserpulses im Femtosekundenbereich erreicht. Anstatt dass das Harz im gesamten Lichtweg aushärtet ist es so möglich, dass sich die Aushärtung punktgenau konzentriert. An den nicht ausgehärten Stellen, also an den Stellen an denen die notwendendig Intensität, die zur Erzeugung der Resonanzfrequenz des Photoinitatiors erforderlich ist notwendig ist, nicht erreicht wurde, wird das nicht ausgehärtete Monomer durch Spülen beispielsweise mit Ethanol entfernt. Dadurch ist es möglich die Mikrostrukturelemente in unterschiedlicher Höhe mit der erforderlichen Genauigkeit auszubilden. Anlagen und Monomere sowie Photoinitatiatoren zur Durchführung der zwei Photonen-Polymerisation sind kommerziell erhältlich.One possible method for producing the individual elements to be replicated is two-photon lithography or two-photon polymerization. This takes advantage of the fact that very high intensities or a very high photon density are required to double the frequency of an excitation source, for example a laser in the visible or near-infrared spectral range. This photon density is only achieved in the focus of an ultra-short laser pulse in the femtosecond range. Instead of the resin hardening along the entire light path, it is possible for the hardening to be concentrated at a precise point. In the uncured areas, i.e. in the areas where the necessary intensity to generate the resonance frequency of the photoinitiator has not been achieved, the uncured monomer is removed by rinsing with ethanol, for example. This makes it possible to form the microstructure elements at different heights with the required precision. Equipment and monomers as well as photoinitiators for carrying out two-photon polymerization are commercially available.

Auch können aus mittels Zweiphotonenpolymersiation hergestellten Einzelelementen durch metallische Beschichtung und ein oder mehrfacher galvanischer Abformung sowohl positive als auch negative Formen hergestellt werden, aus denen dann Einzelelemente mittels Prägen, Spritzprägen oder über Nanoimprintverfahren hergestellt werden können. Es sind auch Rolle-zu-Rolle Verfahren denkbar, in denen die Einzelelemente wiederholt auf einer Walze aufgebracht sind und im Negativ auf ein Substrat z.B. eine Folie oder deren noch nicht ausgehärteten Monomere aber nach Initiation der Polymerisation, übertragen wird. Die Übertragung der Mikrostrukturen auf ein flüssiges Substrat also auf noch nicht ausgehärtete polymere kann auch mit einem festen Rahmen erfolgen.Both positive and negative forms can also be made from individual elements produced by two-photon polymerization by means of metallic coating and one or more galvanic molding, from which individual elements can then be produced by embossing, injection molding or nanoimprinting processes. Roll-to-roll processes are also conceivable in which the individual elements are repeatedly applied to a roller and transferred in negative to a substrate, e.g. a film or its not yet cured monomers but after initiation of polymerization. The transfer of the microstructures to a liquid substrate, i.e. to not yet cured polymers, can also be carried out using a fixed frame.

Im Falle einer Walze bzw. Rolle wird die Haupterstreckungsebene durch den Vektor der Walzen bzw. Rollenachse und einem tangentialen Vektor an einer Auflagelinie der Walze aufgespannt. Die Haupterstreckungsebene ist also quasi auf der Walze zu einer Haupterstreckungfläche aufgerollt.In the case of a roller or roll, the main extension plane is spanned by the vector of the roller or roll axis and a tangential vector on a support line of the roller. The main extension plane is thus essentially rolled up on the roller to form a main extension surface.

Die Walze kann gemäß einer Ausführungsform also in einer z-Richtung senkrecht zu der Haupterstreckungsebene bewegt werden. Die Bewegung kann mittels eines Linearmotors ausgeführt werden. Die Bewegung kann so erfolgen, dass eine bereits vorhandene Krümmung ausgeglichen wird. Die Bewegung der Walze kann so Höhenunterschiede verstärken.According to one embodiment, the roller can be moved in a z-direction perpendicular to the main extension plane. The movement can be carried out by means of a linear motor. The movement can be carried out in such a way that an existing curvature is compensated. The movement of the roller can thus amplify height differences.

Die in den Figuren dargestellten Beispiele stellen verschiedene Ausführungsformen ohne Beschränkung der Allgemeinheit der Erfindung dar.The examples shown in the figures represent various embodiments without limiting the generality of the invention.

Es zeigen jeweils in mehreren Ansichten:

1 eines einzelnen Moduls eines erfindungsgemäßen Elements.
2 zu einem erfindungsgemäßen Element zusammengesetzte Module
3 eine negative Abformung eines erfindungsgemäßen Elements mit einer sinusförmig gekrümmten Oberfläche des Grundkörpers
4 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elements mit einem flachen Grundkörper und abgerundeten kegelförmigen Mikrostrukturelementen, deren Höhe einer Sinusfunktion folgt.
5 eine negative Abformung eines erfindungsgemäßen Elements nach 4
6 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elemente zur Erzielung einer Anti-Fog-Wirkung.
7 eine negative Abformung eines erfindungsgemäßen Elements nach 6
8 eine Ausführungsform eines erfinungsgemäßen Elements mit einer in zwei Richtungen gewölbten Oberfläche des Grundkörpers.
9 eine negative Abformung eines erfindungsgemäßen Elements nach 8

They show in several views:

1 of a single module of an element according to the invention.
2 Modules assembled to form an element according to the invention
3 a negative impression of an element according to the invention with a sinusoidally curved surface of the base body
4 an embodiment of an element according to the invention with a flat base body and rounded conical microstructure elements whose height follows a sine function.
5 a negative impression of an element according to the invention 4
6 an embodiment of an element according to the invention for achieving an anti-fog effect.
7 a negative impression of an element according to the invention 6
8th an embodiment of an element according to the invention with a surface of the base body curved in two directions.
9 a negative impression of an element according to the invention 8th

In 1 ist ein Einzelelement 13 eines erfindungsgemäßen Bauteils in zwei unterschiedlichen Ansichten dargestellt. Das Einzelelement 13 hat einen Grundkörper 3 mit einer in einer Richtung sinusförmig gekrümmten Oberfläche 7. Von der Makrostruktur betrachtet ist der Grundkörper 3 näherungsweise flach. Es kann eine Haupterstreckungsebene 11 festgelegt werden, hier zum Beispiel die Ebene Oberfläche auf einer der gekrümmten Oberfläche 7 abgewandten Seite des Grundkörpers 3. Auf dem Grundkörper sind mehrere Mikrostrukturelemente 5 in regelmäßigen Abständen 25 voneinander angeordnet. Diese Abstände betragen beispielsweise 15 µm.In 1 an individual element 13 of a component according to the invention is shown in two different views. The individual element 13 has a base body 3 with a surface 7 that is sinusoidally curved in one direction. Viewed from the macrostructure, the base body 3 is approximately flat. A main extension plane 11 can be defined, here for example the flat surface on a side of the base body 3 facing away from the curved surface 7. Several microstructure elements 5 are arranged on the base body at regular intervals 25 from one another. These intervals are, for example, 15 µm.

Wird die Sinuskurve über eine Wellenlänge 15 gemittelt verläuft diese Mittellinie parallel zur Haupterstreckungsebene 11 Die einzelnen Mikrostrukturelemente 5 verlaufen entlang eines Normalvektors dieser Haupterstreckungsebene 11. Die Mikrostrukturelemente 5 sind ein einer unterschiedlichen Phasenlage 17 angebracht. Die Abstände 21 der Endflächen der Mikrostrukturelemente 5 von der Haupterstreckungsebene 11 unterscheiden sich um die Differenz 27.If the sine curve is averaged over a wavelength 15, this center line runs parallel to the main extension plane 11. The individual microstructure elements 5 run along a normal vector of this main extension plane 11. The microstructure elements 5 are attached in a different phase position 17. The distances 21 of the end surfaces of the microstructure elements 5 from the main extension plane 11 differ by the difference 27.

Der Einfachheit halber ist nur eine sinusförmige Krümmung 9 in einer Dimension dargestellt. Selbstverständlich sind auch Krümmungen und Wölbungen in zwei Dimensionen möglich, insbesondere wenn man mehr als zwei Unterschiedliche Abstände der Enden der Mikrostrukturelemente von der Hauptersteckungsebene vorgeben möchte.For the sake of simplicity, only a sinusoidal curvature 9 is shown in one dimension. Of course, curvatures and bulges in two dimensions are also possible, especially if one wants to specify more than two different distances of the ends of the microstructure elements from the main extension plane.

In 2 wird gezeigt, wie mehrere Einzelelemente 13 ein erfindungsgemäßes Bauteil 1 bilden. Im Rahmen ist ein Einzelelement 13 abgegrenzt. Der Grundkörper 3 bildet eine nahtlose Einheit. Die Haupterstreckungsebene 11 verläuft durchgehend.In 2 shows how several individual elements 13 form a component 1 according to the invention. An individual element 13 is delimited in the frame. The base body 3 forms a seamless unit. The main extension plane 11 runs continuously.

In 3 ist eine negative Abformung eines erfindungsgemäßen Einzelelements 113 mit einer sinusförmig gekrümmten Oberfläche des Grundkörpers dargestellt. Ein Wassertropfen wird an den Stellen mit Material abgeleitet. Die Oberflächenspannung des Wassers verhindert, dass der Flüssigkeitstropfen in die als Poren ausgestaltenten Mikrostrukurelemente fliest.In 3 a negative impression of an individual element 113 according to the invention with a sinusoidally curved surface of the base body is shown. A drop of water is drained away at the points with material. The surface tension of the water prevents the liquid drop from flowing into the microstructure elements designed as pores.

4 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Einzelelements 213 mit einem flachen Grundkörper 203 und abgerundeten kegelförmigen Mikrostrukturelementen 205, deren Höhe 219 einer Sinusfunktion folgt. Diese Ausführungsform zeigt eine selbstreinigende Wirkung, da der Wassertropfen von der Oberfläche abgewiesen und von der Oberfläche des erfindungsgemäßen Bauteils über eine Kante 229 weggeleitet wird und als Tropfen Schmutzpartikel mitnimmt. Die unterschiedlichen Höhen und die Abrundungen der Mikrostrukturelemente vergrößern den Kontaktwinkel zusätzlich. 4 shows an embodiment of an individual element 213 according to the invention with a flat base body 203 and rounded conical microstructure elements 205, the height 219 of which follows a sine function. This embodiment shows a self-cleaning effect, since the water drop is repelled from the surface and guided away from the surface of the component according to the invention over an edge 229 and takes dirt particles with it as a drop. The different heights and the rounding of the microstructure elements additionally increase the contact angle.

5 ist eine negative Abformung des erfindungsgemäßen Einzelelements aus 4. 5 is a negative impression of the individual element according to the invention from 4 .

In 6 ist eine erfindungsgemäßes Einzelelement 313 dargestellt, bei dem die Mikrostrukturelemente 305 kegelförmig ausgebildet sind und sich auf einer sinusförmig gewölbten Oberfläche 307 des Grundkörpers 303 befinden. Die in 7 dargestellte negative Form zu 6 ist besonders geeignet zur Vermeidung von Nebelbildung, da sich bildende Tröpfchen zerrissen werden.In 6 an individual element 313 according to the invention is shown, in which the microstructure elements 305 are conical and are located on a sinusoidally curved surface 307 of the base body 303. The 7 darge presented negative form to 6 is particularly suitable for preventing the formation of fog, as any droplets that form are broken up.

Die 8 und 9 stellen in positiver bzw. negativer Abformung eine Ausführungsform der Erfindung dar, in der die Oberfläche des Grundkörpers in zwei Richtungen sinusförmig gewölbt ist.The 8th and 9 represent an embodiment of the invention in positive or negative impression, in which the surface of the base body is sinusoidally curved in two directions.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: BauteilComponent
3, 203, 3033, 203, 303: GrundkörperBase body
5, 205, 3055, 205, 305: MikrostrukturelementMicrostructure element
7, 3077, 307: Oberflächesurface
99: Krümmungcurvature
1111: HaupterstreckungsebeneMain extension level
13, 113, 213, 31313, 113, 213, 313: EinzelelementSingle element
1515: Wellenlängewavelength
1717: PhasenlagePhase position
19, 21919, 219: HöheHeight
2121: Abstand in z-RichtungDistance in z-direction
2323: Durchmesserdiameter
2525: Abstand (Pitch)Distance (Pitch)
2727: Differenzdifference
229229: KanteEdge

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 2636501 B1 [0003]
US 2007/0259156 A1 [0003]
US 20170144202 A1 [0004]
US 20120177881 A1 [0005]

Claims

Component (1) comprising a base body (3, 203, 303) which runs along a main extension plane (11), and a plurality of microstructure elements (5, 205, 305) which rise perpendicular to the main extension plane (11) or form depressions perpendicular to the main extension plane and impart superhydrophobic properties to the component (1), characterized in that the microstructure elements (5, 205, 305) are spatially separated from one another and the microstructure elements (5, 205, 305) end at at least two different distances from the main extension plane (11) which follow a periodically repeating function, in particular a sine function, and wherein the component is constructed modularly in a plurality of repeatable individual elements (13, 113, 213).

Component (1) according to Claim 1 , characterized in that the base body (3, 303) has at least one surface (7, 307) which has a periodically repeating function, in particular a sinusoidally curved or arched surface, on which the microstructure elements (3, 305) are located in at least two different phase positions (17) and the microstructure elements (3, 305) have the same height (19) per se.

Component (1) according to Claim 1 , characterized in that all microstructure elements (205) are located on a flat surface parallel to the main extension plane, but differ in their height (219) by the phase position on the base body.

Component (1) according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the periodically repeating function repeats periodically in two spatial directions and preferably has a different wavelength in each of the two spatial directions.

Component (1) according to one of the Claims 1 until 4 characterized in that the microstructure elements (5, 205, 305) have lateral dimensions, in particular diameters (23) between 2 µm and 10 µm and heights (19, 219) between 8 µm and 20 µm, wherein the lateral dimensions along the direction perpendicular to the main extension plane of the microstructure elements (5) can be constant or can taper with a greater distance from the main extension plane (11).

Component according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the microstructure elements (5, 205, 305) have a round, an elliptical or a polygonal cross-section or a combination thereof in projection onto the main extension plane.

Component according to one of the Claims 1 until 6 , characterized in that the microstructure elements (5, 205, 305) have a distance (25) between 5 and 30 µm, preferably a distance (23) between 8 and 15 µm, particularly preferably a distance of 10 µm.

Component according to claim one of the Claims 1 until 6 , characterized in that the microstructure elements (5, 205, 305) are depressions which have a distance between each other of between 1 µm and 5 µm.

Component according to one of the Claims 1 until 8th , characterized in that the component consists of one of the materials PMMA, ACRYLIC, PP, PE-HD or PEEK.

Component according to one of the Claims 1 until 9 characterized in that the individual element (13, 113, 213, 313) can be produced by means of two-photon polymerization or by embossing or injection-compression molding using a mold produced by two-photon polymerization.

Use of a component (1) according to one of the Claims 1 until 10 on films, optical elements, especially retroreflectors and lenses, preferably in road traffic, shower cubicles and in humid environments.