TWI481545B

TWI481545B - 超疏水性微結構

Info

Publication number: TWI481545B
Application number: TW100100970A
Authority: TW
Inventors: Sen Yung Lee; Shih Kuei Liao; Yen Chun Chen
Original assignee: Univ Nat Cheng Kung
Priority date: 2011-01-11
Filing date: 2011-01-11
Publication date: 2015-04-21
Also published as: CN102583214A; US20120177881A1; EP2474372A3; TW201228922A; EP2474372A2

Description

超疏水性微結構

本發明係關於一種微結構，特別關於一種超疏水性微結構。

自然界中，植物總是暴露在各種污染源當中，例如灰塵、污泥、有機的細菌或真菌等。有些植物之葉片上具有複雜的奈米或微米級結構，除了有自潔的功能外，還可以防止受到細菌、病源體的感染。一旦葉片上遭受污染時，只要經過一場大雨的洗禮，就能恢復煥然一新。其中，最知名的就是蓮葉的蓮花效應(lotus effect)。

蓮花效應是在1997年由德國植物學家Barthlott與Neinhuis研究一蓮葉表面現象時所創造出的詞語。他們使用掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)觀察一蓮葉表面1，如圖1A所示。他們發現蓮葉表面1具有5～15微米(μm)的突柱(pillar)之表皮細胞(epidermal cell)，且表面上亦覆蓋一層約100奈米(nm)的蠟質結晶(wax crystal)。

另外，如圖1B所示，若水滴與一物件表面的接觸角度θ(contact angle，或稱疏水角度)小於90度，則稱該表面具有親水性(hydrophilic)；若水滴與一物件表面的接觸角度θ大於90度，則稱該表面具有疏水性(hydrophobic)；若水珠與一表面的接觸角度θ大於150度，則稱該表面具有超疏水性(super-hydrophobic)。如圖1B所示，其接觸角度θ低於90度，故該表面具有親水性。

請參照圖1C所示，當水珠置於蓮葉表面1上時，水珠在蓮葉表面1上形成如球狀的高接觸角度，其中，蓮葉表面1與水珠的接觸角度θ可達150度，因此，蓮葉表面1係具有超疏水性。只要將蓮葉表面1稍微傾斜一角度，即可讓水珠滾動，而滾動的水珠會順便把一些灰塵及污泥等顆粒一起帶走，以達到自我潔淨的效果。

目前，在物件表面上製作疏水性材料與結構的方法，習知一種技術是使用微機電系統(micro-electro-mechanical system,MEMS)加工方式來製作，其主要是利用仿生的概念來模仿與製造類似於蓮葉表面上的突柱狀結構。其中，微機電系統技術是增加表面粗糙度(surface roughness)，以減少水滴與物件表面接觸的面積，以提升水珠對物件表面的接觸角度θ。

然而，目前以微機電加工方式製造與大自然蓮葉上的突柱狀微結構相類似之結構具有以下的缺點：第一、突柱狀結構製造不易，無法量產。目前利用微機電系統加工方法是直接在材料上加工成粗糙表面或突柱狀的結構，但是，其只是適用於實驗室內研究疏水效果而無法用以實際量產。要量產微結構最好的方法是採用微壓印(micro imprinting)技術，如要以微轉印技術來量產具粗糙表面或突柱狀結構的產品，則需要有具此粗糙表面或突柱狀結構的模具1a，如圖1D所示。其中，模具1a除了不易製造外(因模具1a需有極大量微米尺寸的孔洞)，必然含有互不相通的孔洞。由於模具1a內不相通的孔洞內含有空氣，在轉印製造過程中將使材料無法充滿模具1a內的孔洞。因此，轉印製造出來的成品將與設計不同。另外，大自然蓮葉上的粗糙表面或突柱狀結構不具一般模具的推拔角，在轉印製造過程中也將使結構產生破壞。

第二、突柱狀結構的強度差，施工性不足。突柱狀的結構只要受到輕微的橫向力或縱向力，很容易就會遭到破壞而失去其超疏水性的效果。再者，當將此突柱狀的超疏水性結構材料製成如貼紙般的薄膜，進而固定於物體表面時，亦需要在此超疏水性薄膜上施力。由於突柱狀結構的強度差，其施工性必然不佳而容易遭受破壞。

第三、突柱狀結構在一些情況下將失去其疏水性。靜態的水滴在粗糙或突柱狀結構表面時，會因水滴與結構表面的接觸面積大幅的減少而顯示出具疏水性的特色。但由於突柱狀結構是一開放性結構，使得突柱間的空氣是可互相流通的。因此，如圖1E所示，當水滴自一高度落在突柱狀結構1b時，水滴會將突柱之間的空氣擠出，進而使突柱狀結構1b潤濕而失去其疏水性。

因此，如何提供一種超疏水性微結構，可具有較高結構強度、易於製造及成本較低的優點，已成為重要課題之一。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種具有較高結構強度、易於製造及成本較低的優點之超疏水性微結構。

為達上述目的，依據本發明之一種超疏水性微結構包括一基體，其上形成複數高度不同的凸部，且該等不同高度之凸部於俯視時係至少形成一封閉曲線。

在本發明之一實施例中，該等凸部具有至少一第一凸部及一第二凸部，第一凸部具有一第一高度，第二凸部具有一第二高度，第一高度大於第二高度。

在本發明之一實施例中，該等凸部分別係為長條形並彼此連接。

在本發明之一實施例中，該等凸部的至少其中之一係部分斷開。

在本發明之一實施例中，該等凸部的至少其中之一係為直線、折線或曲線。

在本發明之一實施例中，封閉曲線係為一多邊形、弧形、圓形或不規則形。

在本發明之一實施例中，基體係以奈米微壓印技術製造。

在本發明之一實施例中，基體係具有可撓曲性。

為達上述目的，依據本發明之一種超疏水性微結構，當一水滴置於超疏水性微結構上時，超疏水性微結構表現出超疏水性，超疏水性微結構包括一基體，其一表面上形成複數高度不同的凸部，當水滴接觸到該等凸部但未接觸到表面時，水滴及該等凸部係形成一封閉空間。

承上所述，因依據本發明之一種超疏水性微結構之基體上係形成複數高度不同的凸部，且該等凸部於俯視時係至少形成一封閉曲線。藉此，當水滴由一高度掉落於超疏水性微結構上時，藉由水滴與該等凸部形成的封閉空間所產生的空氣彈簧效應可使水滴彈開，使基體表面不沾黏任何水滴，因此本發明之超疏水性微結構具有超疏水性的效果。另外，不同高度的凸部亦可分散水滴的衝擊力，進而提升超疏水效果。

另外，超疏水性微結構係於基體上形成複數高度不同的凸部，且凸部之間相互連結，使得壓印用的模具內不會有不相通的孔洞，因此，以奈米微壓印技術製造時，可將模具孔洞內含有的空氣排出，因而製造出精準的超疏水微結構，並且適合大量生產，並可使製造成本較低。另外，由於本發明之不同高度的凸部係相連而形成封閉曲線，故可提升超疏水性微結構的結構強度。此外，藉由不同高度的凸部可形成多層的封閉空間，進而達到多層空氣彈簧效應，因此可提升超疏水效果。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種超疏水性微結構，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

請參照圖2所示，其為本發明較佳實施例之一種超疏水性微結構2的示意圖。本發明之超疏水性微結構2係可應用於建築物、生活用品、醫療用品或電子產品的疏水、防水或防塵等使用。例如可應用於建築物牆壁的防水、疏水、或小便斗的疏水(使尿液不易沾黏於小便斗)、或汽車擋風玻璃的撥水、或手機螢幕的防水等。於此，並不限制其使用場所及可使用的物件。另外，本發明亦不限制以何種方式將超疏水性微結構2設置於上述物件之表面，例如可將超疏水性微結構2以貼附或黏附等方式設置於上述物件之表面，以使物件具有疏水、防水或防塵等目的。

超疏水性微結構2係包括一基體21。基體21可以奈米微壓印技術製造，並為一體成形，因此，可適用於大量生產。其中，基體21的材質例如包含聚二甲基矽氧烷(poly-dimethylsiloxane,PDMS)、或聚甲基丙烯酸甲酯(poly-methylmethacrylate,PMMA)、或聚氯乙烯(PVC)、或聚乙烯(Polyethylene,PE)。於此，係以聚二甲基矽氧烷為例。特別一提的是，基體21係具有可撓曲性。因此，除了可設置於平面的物件外，亦可將超疏水性微結構2設置於非平面的曲面上，使具曲面的物件具有疏水、防水或防塵的目的。

請再參照圖2所示，基體21上可形成複數高度不同的凸部，且該等凸部分別係為長條形並彼此連接。其中，凸部的至少其中之一係為直線、折線或曲線，且凸部的至少其中之一係部分斷開。換言之，俯視超疏水性微結構時，凸部係可形成直線、折線或曲線。而且，兩條凸部之間係可為不相交之直線或曲線，或是偶爾相交的直線或曲線，而且，直線或曲線可為截斷而不連續。再者，基體21不一定要為週期性且均勻的結構，也可是非週期性的結構。

該等凸部係具有至少一第一凸部221及至少一第二凸部222。在本實施例中，以基體21上具有複數第一凸部221及複數第二凸部222為例。其中，第一凸部221具有一第一高度H1，第二凸部222具有一第二高度H2，且第一高度H1係大於第二高度H2。其中，第一凸部221係為基體21上最高的凸部，本實施例之第一凸部221的高度係至少為10微米，於此，係以20微米為例。另外，本實施例之兩第一凸部221之間距D係介於20微米至100微米之間，於此，兩第一凸部221之間距D係以35微米為例，然並不以此為限。此外，為了易於生產並增加第一凸部221及第二凸部222的結構強度，第一凸部221及第二凸部222的斷面形狀可為梯形、正方形、長方形、三角形或曲形，於此，係以梯形為例，當然，亦不以此為限。

請同時參照圖2及圖3A所示，其中圖3A為圖2之超疏水性微結構2的俯視圖。

在本實施例中，第一凸部221及第二凸部222分別為直線且彼此相連接，另外，第二凸部222係被第一凸部221所截斷而斷開(不連續)。當然，在其他實施例中，第一凸部221亦可斷開。其中，不同高度的凸部221、222於俯視時係至少形成一封閉曲線S。封閉曲線S係可為一多邊形、或弧形、或圓形、或不規則形。而多邊形例如可為正方形、或長方形、或蜂巢形(正六角形)。在本實施例中，如圖3A所示，第一凸部221及第二凸部222係形成一封閉曲線S，且封閉曲線S係為長方形。

另外，請參照圖3B所示，第一凸部221及第二凸部222所形成之封閉曲線S係為正方形。再者，請參照圖3C所示，第一凸部221及第二凸部222所形成之封閉曲線S係為長方形。其中，圖3C與圖3A之封閉曲線S雖然均為長方形，但是，圖3C第二凸部222之左右兩側均被第一凸部221截斷且第二凸部222位於第一凸部221對應的另一側並沒有第二凸部222。接著，請參照圖3D所示，第一凸部221及第二凸部222所形成封閉曲線S係為蜂巢形。因此，本發明並不限制不同高度之凸部所形成之封閉曲線的形狀，只要該等凸部係於俯視時可形成一封閉曲線即可。

特別說明的是，對圖3A至圖3D之週期性結構圖形而言，封閉曲線的虛線所包圍之區域代表單一結構的面積，而將封閉曲線的虛線與實線之間所包圍出的面積(如圖示以點標示的區域)除以單一結構之面積，即為一固體分率SF(solid fraction)，而本發明之固體分率SF是介於0與0.2之間。

請同時參照圖2及圖4所示，其中，圖4係為一水滴3掉落至超疏水性微結構2時，圖2之直線A-A的剖視圖。

由圖4中可看出，由於不同高度的第一凸部221及第二凸部222於俯視時係形成封閉曲線S，因此，第一凸部221與第二凸部222係圍成一凹槽，且凹槽內的空氣係不可相互流通。當水滴3自一高度落下而接觸到超疏水性微結構2之凸部221、222但未接觸到表面G時，水滴先罩住封閉曲線S所圍成的凹槽，進而壓縮凹槽內被封閉的空氣，使得水滴及凸部221、222形成一封閉空間C。當水滴3落到最低點時，封閉空間C內被封閉的空氣將有如彈簧般的將水滴彈出，於此稱為空氣彈簧效應(air spring effect)。因此，當水滴3自一高度落下，超疏水性微結構2會藉由封閉空間C內之空氣彈簧效應將水滴3彈出，使得超疏水性微結構2的表面並無沾黏任何水滴。

經由實驗證明，本發明之超疏水性微結構2的疏水角度係超過150度(可達到160度)，因此，已達到超疏水性的效果。另外，超疏水性微結構2之滾動角度約為4度，因此，只將超疏水性微結構2稍微傾斜，即可讓水珠滾動，而滾動的水珠會順便把一些灰塵或污泥等顆粒一起帶走，以達到自我潔淨的效果。

請參照圖5A所示，其為本發明較佳實施例之另一態樣的超疏水性微結構2a的示意圖。

超疏水性微結構2a與超疏水性微結構2主要的不同點在於，超疏水性微結構2a之基體21a上更可形成至少一第三凸部223a，於此，係形成複數第三凸部223a，且第三凸部223a分別位於兩第二凸部222之間，其兩端並分別與第一凸部221連接。其中，第三凸部223a具有一第三高度H3，且第三高度H3係小於第二凸部222之第二高度H2。

在本實施例中，第三凸部223a係位於兩第二凸部222之間而與第一凸部221連結，且於俯視時，兩第一凸部221與一第二凸部222及一第三凸部223a係形成另一封閉曲線Sa。在其它的實施例中，該等第一凸部221係可與該等第三凸部223a形成另一封閉曲線、或該等第二凸部222可與該等第三凸部223a形成另一封閉曲線、或至少一第一凸部221與至少一第二凸部222及至少一第三凸部223a形成另一封閉曲線。

此外，超疏水性微結構2a之其它技術特徵可參照超疏水性微結構2，於此不再贅述。

請參照圖5B所示，其為本發明較佳實施例之又一態樣的超疏水性微結構2b的示意圖。

超疏水性微結構2b與超疏水性微結構2a主要的不同點在於，第三凸部223b分別位於兩第一凸部221之間，且其兩端分別與第二凸部222連接。

另外，如圖所示，一第三凸部223b與一第一凸部221及二第二凸部222係形成另一封閉曲線Sb。

此外，超疏水性微結構2b之其他技術特徵可參照超疏水性微結構2、2a，於此不再贅述。

請參照圖5C所示，其為本發明較佳實施例之再一態樣的超疏水性微結構2c的示意圖。

超疏水性微結構2c與超疏水性微結構2b主要的不同在於，兩相鄰第一凸部221之間具有二第二凸部222c，且一第三凸部223c的兩端分別與第一凸部221及第二凸部222c連接，且另一第三凸部223c的兩端分別與兩第二凸部222c連接。另外，於俯視時，兩第二凸部222c及二第三凸部223c係形成另一封閉曲線Sc，而一第一凸部221、一第二凸部222c及二第三凸部223c係形成另一封閉曲線Sc。

此外，超疏水性微結構2c之其它技術特徵可參照超疏水性微結構2、2a、2b，於此不再贅述。

綜上所述，因依據本發明之一種超疏水性微結構之基體上係形成複數高度不同的凸部，且該等凸部於俯視時係至少形成一封閉曲線。藉此，當水滴由一高度掉落於超疏水性微結構上時，藉由水滴與該等凸部形成的封閉空間所產生的空氣彈簧效應可使水滴彈開，使基體表面不沾黏任何水滴，因此本發明之超疏水性微結構具有超疏水性的效果。另外，不同高度的凸部亦可分散水滴的衝擊力，進而提升超疏水效果。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1．．．蓮葉表面

1a．．．模具

1b．．．突柱狀結構

2、2a、2b、2c．．．超疏水性微結構

21、21a、21b、21c．．．基體

221．．．第一凸部

222、222c．．．第二凸部

223a、223b、223c．．．第三凸部

3．．．水滴

A-A．．．直線

C．．．封閉空間

D．．．間距

G．．．表面

H1、H2、H3．．．高度

S、Sa、Sb、Sc．．．封閉曲線

θ．．．角度

圖1A為電子顯微鏡觀察一蓮葉表面之照片；

圖1B為水滴於一物件表面上之接觸角度示意圖；

圖1C為水滴於蓮葉表面上所呈現的照片；

圖1D為一突柱狀結構模具的示意圖；

圖1E為水滴接觸突柱狀結構的示意圖；

圖2為本發明較佳實施例之一種超疏水性微結構的示意圖；

圖3A為圖2之超疏水性微結構的俯視圖；

圖3B至圖3D為不同態樣之超疏水性微結構的俯視圖；

圖4係為一水滴掉落至超疏水性微結構2的示意圖；以及

圖5A至圖5C分別為本發明不同態樣之超疏水性微結構的示意圖。

2．．．超疏水性微結構

21．．．基體

221．．．第一凸部

222．．．第二凸部

A-A．．．直線

D．．．間距

H1、H2．．．高度

Claims

一種超疏水性微結構，包括：一基體，其上形成複數高度不同的凸部，且該等不同高度之凸部於俯視時係至少形成一封閉曲線，其中，該等凸部分別為鍥形，並包含一第一凸部、一第二凸部及一第三凸部，該第一凸部具有一第一高度，該第二凸部具有一第二高度，該第三凸部具有一第三高度，且該第一高度大於該第二高度，該第二高度大於該第三高度。
如申請專利範圍第1項所述之超疏水性微結構，其中該等凸部分別係為長條形並彼此連接。
如申請專利範圍第1項所述之超疏水性微結構，其中該等凸部的至少其中之一係部分斷開。
如申請專利範圍第1項所述之超疏水性微結構，其中該等凸部的至少其中之一係為直線、折線或曲線。
如申請專利範圍第1項所述之超疏水性微結構，其中該封閉曲線係為多邊形、弧形、圓形或不規則形。
如申請專利範圍第1項所述之超疏水性微結構，其中該基體係以奈米微壓印技術製造。
如申請專利範圍第1項所述之超疏水性微結構，其中該基體係具有可撓曲性。
一種超疏水性微結構，當一水滴置於該超疏水性微結構上時，該超疏水性微結構表現出超疏水性，該超疏水性微結構包括：一基體，其一表面上形成複數高度不同的凸部，當該水滴接觸到該等凸部但未接觸到該表面時，該水滴及該等凸部係形成一封閉空間，其中，該等凸部分別為鍥形，並包含一第一凸部、一第二凸部及一第三凸部，該第一凸部具有一第一高度，該第二凸部具有一第二高度，該第三凸部具有一第三高度，且該第一高度大於該第二高度，該第二高度大於該第三高度。