具有顯微構造表面的固體的製作方法

2023-10-22 15:27:17

專利名稱：具有顯微構造表面的固體的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種塑料、玻璃、陶瓷或金屬制的固體，其至少部分地具有顯微構造的表面，所述顯微構造表面包括沿一優化方向定向排列的橫截面為梯形或楔形的凸峰即毛刺。本發明還涉及製造這種固體的方法和可能的應用。
背景技術：
按機械方法製成的具有顯微構造表面的固體本身是已知的，並且符合由天然物如鯊魚皮等等所已知的減摩的物理原理。因此，它們有時也俗稱「鯊魚皮」。在合適的構造中，當氣體或液體紊流流過時發現摩擦阻力或流動阻力降低了。
DE 36 09 541 A1介紹了通過使紊流流過的固體表面具有降低的壁剪應力來降低流動阻力，其中所述表面具有沿流動方向延伸的、由成銳邊構成的凸條彼此分開的溝槽。其中各凸條不是完全成排平行地設置而是分別相互位錯地設置。
EP 0 846 617 A2描述了一種表面，用於具有從一主流方向的流動的紊流流過的壁，其具有沿流動方向定位並橫向於主流方向間隔開的凸條，其高度為凸條間距的45至60％。各凸條做成具有20至50°楔角的三角形的。各排之間的谷底可以是平坦的或弧形的。

發明內容
DE 36 09 541 A1中描述的表面的缺點是，其由於凸條元件的交替設置而使得製造困難或耗費很大，同時其減摩作用也是很低的。
EP 0 846 617 A2中描述的結構保證了表面的較低摩擦的均勻的過流。但由於顯微結構的有規則的設置在表面與流過的介質液體或氣體之間只形成較薄的邊界層，其對於消除引起摩擦的剪應力不是最佳的。因此容易幹擾和甚至可能中斷流動。
從現有技術出發，應該進一步開發具有顯微構造的表面的固體，以便進一步降低摩擦阻力或流動阻力。
該目的這樣來達到，即，使塑料、玻璃、陶瓷或金屬制的固體至少部分地具有包括沿一優化方向定向排列的橫截面為梯形或楔形的凸峰的顯微構造的表面，其特徵在於，凸峰高度(H)具有最小值和最大值，其處在0mm至2mm的範圍內，和最小值與最大值周期性地以0.005至20mm範圍內的波長相互接連，和鄰接的凸峰排的相互間距為0.002mm至5mm，其中各排之間的谷底可以是平坦的、弧形的或尖銳延伸的，以及橫截面為梯形或楔形的凸峰具有在15°至75°範圍內的楔角(α)。
按照本發明的固體特別具有優點，即，其在氣體或液體流過時具有很小的摩擦阻力或流動阻力。這通過具有橫截面為梯形或楔形的凸峰排列的表面結構來達到。
同時，由於凸峰高度(H)具有在0mm至2mm範圍內的最小值和最大值，以及最小值與最大值周期性地以0.005至20mm範圍內的波長相互接連，從而實現一種稍微不均勻的過流，其即使通過較長的距離也不會中斷。因此按照本發明在總體上與現有技術相比可以得到進步的效果。


本發明通過各附圖加以說明但不限於如此。
圖1a從一擠塑的塑料板上面截取的剖面，其具有凸峰高度成正弦形波動的、平行排列的楔形顯微結構，包括不變的約60°的楔角(α)和尖銳的谷底。該顯微結構在橫截面基面寬度內周期性地波動。橫剖面A-A、B-B和C-C的相互間距分別為半個波長。鄰接的各排的最小值分布和最大值分布位錯半個波長。箭頭表示擠出方向。
圖1b圖1a的橫剖面A-A、B-B和C-C。橫剖面A-A、B-B和C-C示出在平行的各排中分布的凸峰的高度(H)的交替的最大值和最小值、尖銳的谷底以及波動的橫截面基面寬度。
圖1c具有對稱的梯形(左)和對稱的楔形(右)的凸峰，標示出了高度(H)、橫剖面基面寬度(B)和橫剖面內的楔角(α)。
具體實施例方式
本發明涉及一種塑料、玻璃、陶瓷或金屬制的固體，其至少部分地具有包括沿一優化方向定向排列的橫截面為梯形或楔形的凸峰的顯微構造的表面。
材料優選塑料，特別是熱固性塑料並特別優選熱塑性塑料。在熱塑性塑料中優選無定形的(非晶形的)塑料。
合適的塑料例如是聚甲基丙烯酸甲酯類塑料、衝擊韌性改良的聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯塑料、聚苯乙烯塑料、苯乙烯丙烯腈塑料、聚對苯二甲酸乙二醇酯塑料、乙二醇改性的聚對苯二甲酸乙二醇酯塑料、聚氯乙烯塑料、透明的聚烯烴塑料、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)塑料或不同的熱塑性塑料的混合物(共混料)。
優選耐氣候的塑料，如聚甲基丙烯酸酯類塑料和/或衝擊韌性改良的聚甲基丙烯酸酯塑料、聚偏二氯乙烯塑料和/或由聚甲基丙烯酸酯類塑料和聚偏二氯乙烯塑料和/或由聚碳酸酯塑料的混合物(共混料)。
為了防止因接觸的過流產生磨損，具有高表面硬度的塑料是特別適用的。
液態晶體聚合物也是適用的。
在金屬中特別是鋁和鈦以及這些金屬的合金並且也可能採用鎂合金。
表面結構凸峰高度(H)具有在0mm至小於2mm範圍內的最小值。優選，最小值處於0.001至1mm範圍內，特別是在0.01至0.1mm範圍內。
凸峰高度(H)具有在從大於0mm至2mm範圍內的最大值。優選，最大值處於0.001至1mm範圍內，特別是在0.01至0.1mm範圍內。
其中最大值總是大於最小值。優選最大值至少比最小值大0.001mm，特別優選至少大0.01mm。
凸峰高度相對於谷底測定。谷底位於一基準平面內，凸峰高度相對其波動。理論上也有可能，凸峰位於一基準平面內而谷底深度波動，藉此同樣引起凸峰高度的波動。0mm的最小值位於谷底的平面內。但優選最小值大於0mm。
最小值和最大值周期性地以0.005至20mm，優選以0.05至5mm的波長相互接連。優選為正弦形波變化。
鄰接的各凸峰的排的相互間距為0.002mm至5mm，優選0.005至0.5mm，特別優選0.02至0.2mm，其中各排之間的谷底可以是平坦的、弧形的或尖銳延伸的。優選凸峰的各排沿優化方向相互平行地延伸。
橫截面為梯形或楔形的凸峰的楔角(α，見圖1c)在15至75°，優選在30至60°，特別在30至45°的範圍內。梯形或楔形橫截面優選是對稱的，但在必要時也可以是輕微或強的不對稱的。但後者在流動技術上是有問題的並且在製造技術上是較難實現的。在這種情況下在角度(α)的對面的角度(α′)與(α)不同，但也應該位於對(α)所述的範圍內。只要由此不產生功能上的顯著的損害，也有可能，採用從梯形或楔形橫截面出發的過渡形式或略加改變，以及這類形狀在表面上的混合。
凸峰還可以沿橫截面基面寬度(B)周期性地波動。
凸峰可以沿其優化方向直線延伸或也可以沿優化方向側面優選成正弦形波動地延伸。在沿優化方向側面波動的凸峰側面延伸的情況下，側面波動的波長為0.005至20mm，優選0.001至10mm和特別是0.01至1mm。
凸峰的楔角(α)對於一排優選是不變的。
鄰接各排的凸峰的周期性高度波動優選交替地、特別優選沿半個波長、特別是沿半個正弦形波長相互位錯。其優點是，明顯減小了所不期望的共振和/或聲振動的產生。
根據本發明，本領域技術人員容易推知的是，本文所述的表面結構還可以以這種或那種未詳細述及的方式略加改變，而並不會從根本上改變其功能。這樣的改變應該視為包括在本發明之內。
製造方法固體或相應成形件的製造可以通過按原形成型方法(Urformverfahren)、變形成型方法、蝕刻加工或離析技術塑造顯微結構而實現，例如藉助於壓印法、切削剝離加工、鑄造、注塑成型、強能發射(例如雷射束)和光蝕刻技術等。
對於塑料，適宜的方法是其中一聚合的混合物，例如包含聚甲基丙烯酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯的糖漿，包括一聚合引發劑，在一原型(Urform)上塑造。這可以例如使一玻璃板具有負構成的顯微結構。
對熱塑性塑料，例如擠塑的板或薄片可以通過壓印輥，優選金屬輥進行，在其上形成負構成的顯微結構。
有利的是可以採用共擠塑法(Coextrusions-Verfahren)，其中在一薄的可壓印層內壓入顯微結構，而位於下面的塑料層基本上承擔載體功能。EP-A 659 531公開了一種相應的共擠塑法，用以壓入宏觀結構(Fresnellinsen，即階梯透鏡)，其原則上也適用於顯微結構，這樣的適配屬於本領域技術人員的能力範圍。
應用本發明的固體可以用作為具有減摩表面的構件，以便降低氣流或水流作用在飛機、船或車輛的表面上的摩擦，或用作為管道和容器，以便降低流體在管道和容器中快速流動時流體流產生的摩擦，以及減少汙物在需保護的表面上的粘附，以及用作為抗微生物的表面、光折射折的和/或漫射的光控表面和抗反射的表面。
除有利的流動技術特性外，在技術上也可得到視覺的、觸覺的、粘性的和/或熱力學效應，並且優選用於塑料半成品或塑料成品在其表面上要求這些效應的情形。
有利的效果本發明在於改進所述的幾何形狀，以便進一步降低流動的液體或氣體特別是空氣在本發明構造的表面上的摩擦程度，這是通過溝槽或凸峰結構的優選的正弦形高度變化和/或正弦形側面延伸的方式達到的。藉此產生局部的小渦流，其在相當大程度上保持靜態並且為流過的流體形成一改進的邊界層，其中可以更好地降低引起摩擦的剪應力並從而減小流體或氣體在表面上的制動的摩擦作用。
由於結構相對於已知的幾何形狀的較大的不規則性，同樣明顯地減小不利的共振的產生。對於汙染覆層，局部的高點(正弦凸峰的最大值)提供著力點用以將其磨掉或防止其完全沾汙表面，藉此破壞汙染層的連貫的結構並將其分成汙染小島，其本身由於陡的凸峰側面容易被衝走。因此得到自動清潔效果。
在表面配置有抗生(biozid)作用的添加劑的情況下，其例如可以噴塗、共擠塑或摻入基料中，通過表面的增大，有利於添加劑的作用並相對於均勻的結構得到改進。
光學特性本發明的結構降低在表面上的光反射。並且通過從表面上的光折射和再輻射特別形成裝飾的色彩效果和光效果，其可以由透明至半透明的和明亮的或染色的塑料製成。構造的表面提供一特別防滑的固定(保持)，因為與平坦的、沒有局部突起的結構相比，凸峰的突起可以局部較深地壓入皮層、紡織物和皮革等等中。
本發明的結構可以由無定形的、部分晶體的、交聯的和非交聯的塑料、金屬或低熔的玻璃原形成型地、變形成型地製成，或通過在基本上平坦的表面上經切削剝離或強能發射加工出來。
權利要求
1.塑料、玻璃、陶瓷或金屬制的固體，其至少部分地具有顯微構造的表面，所述顯微構造的表面包括沿一優化方向定向排列的橫截面為梯形或楔形的凸峰，其特徵在於凸峰高度(H)具有最小值和最大值，其處在0mm至2mm的範圍內，和最小值和最大值周期性地以0.005至20mm範圍內的波長相互接連，和鄰接的凸峰的排的相互間距為0.002mm至5mm，其中各排之間的谷底可以是平坦的或尖銳延伸的，以及橫截面為梯形或楔形的凸峰具有在20°至60°範圍內的楔角(α)。
2.按照權利要求1所述的固體，其特徵在於，凸峰還沿橫截面基面寬度(B)周期性地波動。
3.按照權利要求1和2所述的固體，其特徵在於，凸峰的楔角(α)對於一排是不變的。
4.按照權利要求1至3之一項或多項所述的固體，其特徵在於，凸峰具有沿優化方向側面波動的延伸，側面波動的波長為0.005至20mm。
5.按照權利要求1至4之一項或多項所述的固體，其特徵在於，鄰接各排的凸峰的周期性高度波動相互交替地位錯。
6.按照權利要求5所述的固體，其特徵在於，鄰接的各排的凸峰的高度波動分別以半個波長相互位錯。
7.用於製造按照權利要求1至6之一項或多項所述固體的方法，按已知的方式通過按原形成型方法、變形成型方法、蝕刻加工或離析方法，特別是通過壓印法、切削剝離加工、鑄造、注塑成型、強能發射和/或光蝕刻技術來塑造其顯微結構。
8.按照權利要求1至6之一項或多項所述的固體的應用，用作為具有減摩表面的構件，以便降低氣流或水流作用在飛機、船或車輛的表面上的摩擦，或用作為管道和容器，以便降低在流體管道和容器中快速流動時流體流產生的摩擦，以及減少汙物在需要保護的表面上的粘附，以及用作為抗微生物的表面、光折射的和/或漫射的光控表面和抗反射的表面。
全文摘要
本發明涉及一種塑料、玻璃、陶瓷或金屬制的固體，其至少部分地具有包括沿一優化方向定向排列的橫截面為梯形或楔形的凸峰的顯微構造的表面，其特徵在於，凸峰高度(H)具有最小值和最大值，其位於0mm至2mm的範圍內，和最小值和最大值周期性地以0.005至20mm範圍內的幅度相互接連，以及鄰接的凸峰的排的相互間距為0.002mm至5mm，其中各排之間的谷底是平坦的或尖銳延伸的，並且橫截面為梯形或楔形的凸峰具有在15°至75°範圍內的楔角(α)。
文檔編號B64C21/10GK1507544SQ03800224
公開日2004年6月23日 申請日期2003年4月1日 優先權日2002年4月17日
發明者克里斯多福·克羅默, 克里斯多福 克羅默, 漢斯·洛倫茨, 洛倫茨, 布蘭德, 諾貝特·布蘭德 申請人:羅姆兩合公司