滑水表面構造的製作方法
2023-06-05 03:21:06
專利名稱：滑水表面構造的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種能長時間維持滑水效果的滑水表面，尤其是涉及一種對刮水器等擦拭部件所進行的擦拭動作具有較高耐久性的滑水表面構造。
背景技術：
為了防止視野惡化，人們採取一些手段使汽車的窗玻璃等的表面具有疏水性，並設法提高其滑水性，即，使附著在其上的水滴通過自重而進行移動的性能。作為提高該滑水性的手段，以往採用將氟樹脂塗覆在玻璃表面上的方法。通過這樣的塗覆氟樹脂的方法，玻璃表面的疏水性得到提高，並且水滴、油滴和汙垢不容易附著。
但是，該氟樹脂與玻璃的密合性不好，另外對刮水器等的刮水動作的耐磨性也低，耐久性不良。為了改善這樣的問題，人們已經知道的技術有將與玻璃的親和性較好且耐磨性良好的陶瓷成分，添加到該氟樹脂中構成混合物，然後將該混合物塗層在玻璃表面上(例如，參見專利文獻1日本專利申請公開公報《特開平6-56476號公報》(段落序號0012～0015))發明內容但是，使上述的氟樹脂含有陶瓷成分、並將其塗在玻璃的表面上的方法，具有下述的問題。即這樣兩個相互矛盾的關係如果增加陶瓷成分的含有量，那麼雖然覆蓋膜的耐久性得到了提高，但是因為向氟樹脂的玻璃表面露出的露出面積減小而使得疏水性能降低了。另一方面，如果減小陶瓷成分的含有量，那麼雖然疏水性得到了提高，但是耐久性卻下降了。
本發明是以解決上述問題為課題而進行的，目的是提供一種可以同時實現高水準的疏水性和耐久性這兩個性能的滑水表面構造。
為了實現上述的目的，首先，本發明的技術方案1所述的滑水表面構造，能使滴落到基板上的液滴的滑水性提高，其中，將滑水層設置在上述基板的表面上，所述滑水層包括硬質層，所述硬質層的主要成分為比上述基板的硬度高的高硬度材料，並且該硬質層由連續的凸凹形狀構成；疏水層，所述疏水層充填在該硬質層的凹部並由疏水性材料構成，所述疏水性材料與滴落的液滴的接觸角為90°以上。
根據這樣的構成，當擦拭部件在作為基板(玻璃基板等)表面的滑水層上滑動時，其對該滑水層產生的摩擦力將作用在硬質層的凸部的頂端上。此凸部頂端為高硬度材料，具有耐磨性，所以即使受到擦拭部件的反覆滑動也不磨損。另外，由於對滴落到基板的表面上的液滴有排斥性的疏水層，被充填在硬質層的表面凸凹形狀的凹部中，所以來自於擦拭部件的摩擦力不會到達此疏水層，因而疏水層不會磨損。另外，疏水層相對於滑水層為露出度較高的結構，所以滑水層的表面具有較高的疏水效果，並能維持對滴落到基板上的液滴有良好的滑水性。
另外，在此所述的疏水性是指，以日本工業規格JIS R3257「玻璃基板的浸潤性試驗方法」中所述的接觸角來進行評價的性質。該接觸角愈大疏水性愈好。反之，接觸角小的，則浸潤性較好。
本發明的技術方案2為，在技術方案1所述的滑水表面構造中，構成上述硬質層的凸狀的硬質凸起由複合材料構成，該複合材料包括上述高硬度材料和高韌性材料，所述高韌性材料的韌性比上述高硬度材料的韌性高。
根據這樣的構成，一般來說，高硬質材料較脆，一旦受到衝擊，就容易受損，或者發生缺口、或者從基板上脫落下來。但是通過由複合材料構成硬質層的方式，可以賦予硬質層以韌性，那麼即使受到來自於擦拭部件的摩擦力，硬質層也不容易斷裂。
本發明的技術方案3為，在技術方案2所述的滑水表面構造中，上述複合材料的構成為從上述硬質凸起的頂端部越靠下端部，其含有上述高韌性材料的濃度越高。
根據這樣的構成，可以在維持硬質凸起的頂端具有高硬度的同時，賦予其下端部以韌性。由此，直接接觸擦拭部件的頂端部的耐磨性得到維持，與此同時，受到的來自於擦拭部件的摩擦應力將被下端部緩和。這樣，硬質凸起所接受的來自於擦拭部件的能量，不會使頂端部磨損，而是通過使下端部的高韌性部分變形被消耗，所以硬質層不會受損。
本發明的技術方案4為，在技術方案1～3所述的滑水表面構造中，在與上述基板接觸的面上，上述滑水層還具有由高韌性材料構成的緩衝層。
根據這樣的構成，硬質層與基板(玻璃基板等)隔著緩衝層而被粘接在一起。由此，硬質層與基板的密合性得到提高，並且受到的來自於擦拭部件的摩擦力在此緩衝層中進一步得到緩和，所以硬質層受的損傷進一步被減小。
本發明的技術方案5為，在技術方案1～4所述的滑水表面構造中，上述高硬度材料含有DLC。
本發明的技術方案6為，在技術方案1～5所述的滑水表面構造中，上述疏水性材料含有氟樹脂。
本發明的技術方案7為，在技術方案2～6所述的滑水表面構造中，上述高韌性材料含有氧化鈦。
本發明的技術方案8為，在技術方案1～7所述的滑水表面構造中，上述滑水表面構造用於汽車的窗玻璃。
根據這樣的構成，硬質層具有作為DLC的優點的高硬度和優良的低摩擦性，而疏水層則具有優良的疏水性這一氟樹脂所具有的優點。另外，由於緩衝層中使用的氧化鈦的光觸媒(帶隙)作用，這種構成可以得到分解汙垢而自我衝洗的清潔效果。將這樣被進行了表面處理的玻璃基板用作汽車的窗玻璃，即使刮水器等擦拭部件反覆擦拭，其表面也不容易產生傷痕，從而可以使滑水性能和清潔的表面長期得到保持。
本發明的滑水表面構造具有以下所示的良好效果。即，即使用刮水器那樣的擦拭部件來擦拭玻璃的表面，也由於有硬質層的凸部的頂端部的保護，所以來自於該擦拭部件的按壓力不能到達疏水層，因而疏水層的磨損得到抑制。另外，即使在疏水層上作用了按壓力，也因為疏水層被充填在凹部內，所以剪力得到抑制並且不會發生疏水層剝離現象。另外，在構造上，可以較大地取得液滴所附著的玻璃表面的疏水層的露出面積。因此，可以提供同時實現高水準的疏水性和耐久性這兩個的性能的表面構造。
圖1是表示本實施方式中的滑水表面構造的基本構成的模式圖，(a)為剖面圖，(b)為俯視圖。
圖2是將本實施方式中的滑水表面構造的基本構成放大而表示的硬質凸起的剖面圖。
圖3是表示製造本發明的滑水表面構造的濺射裝置的基本構成的構成圖。
具體實施例方式
下面參照附圖對本發明的實施方式進行說明。
圖1是表示本實施方式中的滑水表面構造的基本構成的模式圖，(a)為剖面圖，(b)為俯視圖。圖2是將本實施方式中的滑水表面構造的基本構成放大而表示的硬質凸起的剖面圖。
如圖1所示，滑水玻璃10的玻璃基板(基板)20為板狀且能透過可見光。該滑水玻璃10至少在其玻璃基板(基板)20的單面上設有滑水層30。而且，此滑水層30由疏水層31、硬質層40、和緩衝層33構成。
硬質層40是硬質凸起41的集合體，這些硬質凸起41的頂端呈凸狀，其形狀為大致的圓錐狀，它們均勻地分布在玻璃基板20的表面上，並且該硬質層40的表面為連續的凸凹形狀。此硬質凸起41，是以按照日本工業規格JIS R1610「精細陶瓷的硬度試驗方法」所測定的硬度較大的高硬度材料為主成分來構成的。一般來說，高硬度材料具有優良的耐磨性。另外，硬質層40所採用的高硬度材料的硬度最好比玻璃基板20的硬度大，例如硬度高且具有低摩擦性的DLC(diamond like carbon)就很適合。由此，在玻璃基板20的表面不容易產生傷痕，另外，還可以抑制用於擦拭附著在該玻璃基板20的表面上的液滴(未圖示)的刮水器(未圖示)等的擦拭部件的磨損。
而且，如圖2所示，硬質凸起41由複合材料構成，該複合材料包括作為主成分的上述高硬度材料(DLC)與後敘的作為緩衝層33的主成分的高韌性材料(氧化鈦)。另外，從硬質凸起41的底部到頂端部，該複合材料的高硬度材料的成分連續變化分布並呈逐漸增大的趨勢。
圖2所示的疏密線是表示DLC的濃度分布的線，疏密度愈密表示含有DLC的濃度愈高；疏密度愈疏，表示含有DLC的濃度愈低、含有氧化鈦的濃度愈高。
緩衝層33被配置在硬質層40與玻璃基板20之間，並且由韌性比這些硬質層40和玻璃基板20的原材料高的高韌性材料構成。在此，所述的韌性高是指，使之斷裂需要較高的能量、不脆的意思。具體地說，例如此高韌性材料由氧化鈦構成，則由於此氧化鈦與DLC和玻璃基板20的親和性良好而可以獲得的相輔相成的效果。即，緩衝層33起著緩衝硬質層40的頂端所受的來自刮水器等滑動部件的衝擊、防止硬質層破損或從玻璃基板脫落下來等作用。
另外，在圖2中，氧化鈦的緩衝層33的覆膜的一部分隆起而向垂直於平面的方向成長，並且沿著該成長方向向上，其頂端逐漸變尖，硬質材料(DLC)的濃度連續增大，由此構成硬質凸起41。這樣，如果在構成硬質凸起41時使由高硬度材料與高韌性材料構成的複合材料的組成從緩衝層33連續呈梯度分布的話，就可以將硬質凸起41與緩衝層33形成一體，在其之間沒有界面。這樣，消除了硬質凸起41與緩衝層33之間的界面，可以提高硬質層40相對於玻璃基板20的粘接強度，可以提高對由擦拭部件所帶來的摩擦力的耐受性。
在以上的說明中，使硬質層40隔著緩衝層33而與玻璃基板20粘接在一起，但是也可以採用不使用此緩衝層33的結構。在這種情況下，可以如前所述，由高硬度材料和高韌性材料呈梯度分布的複合材料構成硬質層40，並將其直接粘接在玻璃基板上20，或者也可以僅由高硬度材料的均相材料構成硬質層40，並將其直接粘接在玻璃基板20上。
疏水層31由對附著於表面上的液滴的排斥性能良好的疏水性材料構成。此疏水性材料由具有接觸角比日本工業規格JIS R3257「玻璃基板的熔析試驗方法」所規定的接觸角90°大的性質的材料構成，例如以-CF3基團為官能團來保持的氟樹脂。
但是，在氟樹脂的硬度與疏水性之間的關係中，存在這樣的相互矛盾的關係，即，當-CF3基團為10個或10個以上時，其硬度下降而疏水性上升，反之也成立。因此，為了在配置成傾斜狀的滑水玻璃10上得到對滴落的液滴的良好的滑水特性，最好能夠使用-CF3基團為10或個10個以上的疏水性較高的(接觸角較大的)氟樹脂。
疏水層31，如圖1(b)所示，以將硬質層40的凹狀(鄰接的硬質凸起41......的低谷之間的部分)埋起來的方式進行設置，並且作為玻璃基板20的面整體，該硬質層的表面要均勻、平滑，另外硬質凸起41的頂端部設置成露出於該表面。
下面對本發明的滑水玻璃的表面在刮水器等擦拭部件進行滑動動作時的狀況進行說明。首先假設在圖1所示的滑水玻璃10的表面上附著了未圖示的液滴，並假設要通過刮水器等(未圖示)的擦拭動作而將這些液滴除去的情況。為了更有效地除去這些液滴，需要刮水器的擦拭部件以規定的壓力按壓在滑水玻璃10的表面的狀態下進行滑動。
由於擦拭部件的伴隨著此按壓力的反覆擦拭動作，滑水層30的表面被反覆摩擦。該擦拭部件的反覆擦拭動作對疏水層31有衝擊，這種衝擊足以使構成疏水層31的疏水性材料(氟樹脂)發生磨損。但是，來自擦拭部件的按壓力中的大部分，都由均勻地分散存在的硬質凸起41的頂端部分所承受，所以可以減小給疏水層31的表面帶來的直接損傷。另外，由於與擦拭部件接觸並且幾乎承受該按壓力的全部的部分是硬質凸起41的頂端，而該頂端具有良好的耐磨性，所以即使其被反覆擦拭也不會磨損。
另外，每次被擦拭部件所擦拭時，硬質凸起41所受的衝擊都通過固定有該硬質凸起41的緩衝層33、或硬質凸起41的下部進行變形而被緩衝。因此，雖然高硬度材料一般具有脆性，但是硬質凸起41隻不過僅在頂端部分具有高硬度，所以硬質凸起41的整體不會發生疲勞斷裂而從玻璃基板20上脫落下來。
另外，由於顯示疏水性並佔據表面的大部分的疏水層31的作用，滴落到滑水玻璃10的表面上的液滴形成接觸角為90°或90°以上的球狀。而且，如果滑水玻璃10的表面呈傾斜狀，那麼它的滑水特性將得到發揮，即使不藉助於刮水器等擦拭部件，液滴也會在重力的作用下，從該傾斜面上滾落下來。
另外，發明人從本發明的一系列實驗中發現作為從疏水層31的表面凸出的硬質層41的頂端的材料，其親水性愈高，滑水玻璃就表現出愈高的滑水性。雖然有關該發現的機理的詳細情況現在還不明確，但是這一發現給出的啟示是在滑水玻璃10的表面，具有交替配置了疏水性部分和親水性部分的納米構造的情況，與表現出更高的滑水效果的情況之間有關聯性。
另外，滑水玻璃10的表面的凸凹具有納米級的構造。作為灰塵、或汙垢的主成分的蛋白質等，即使再小，充其量也不過是幾微米～幾十微米級，所以不可能進入表面的凸凹內。因此這種構造可以防止這樣的灰塵、汙垢附著的情況，不容易髒。
製造方法
本發明的滑水玻璃10的表面構造，可以通過公知的高頻磁控濺射(RF-MS法)的薄膜形成方法得到。下面參照圖3，對本發明中的滑水表面構造的製造方法進行說明(適當參照圖1)。圖3是表示用於製造本發明的滑水表面構造的濺射裝置的基本構成的構成圖。
如圖3所示，濺射裝置50採用雙靶(dual-target)同時濺射方式，其概略結構為使內部可以形成真空的氣腔51；將玻璃基板20進行固定並使之旋轉的旋轉臺52；將構成緩衝層33的高韌性材料(氧化鈦)配置在表面的靶53a，在電場(由電極54a形成)和磁場(由磁體55a形成)的作用下，該靶53a的表面形成等離子體；將構成硬質層40的高硬度材料(DLC)配置在表面的靶53b，在電場(由電極54b形成)和磁場(由磁體55b形成)的作用下，該靶53b的表面形成等離子體。
另外，在各靶53a、53b的與玻璃基板20相對的一側，設有擋門54a、54b，該擋門54a、54b用於調整從各靶53a、53b射出並碰撞玻璃基板20的濺射粒子的量。
下面說明製造工序。
首先，將經洗淨處理的玻璃基板20放置在旋轉臺52上。然後將高韌性材料(氧化鈦)和高硬度材料(DLC)的濺射源安裝在各自的靶53a、53b上。
其次，使氣腔51內成為真空後，將氬氣(Ar)導入到氣腔51內。並且將該氣體的壓力控制在能得到穩定的放電且能實現穩定的濺射的範圍(0.1～10Pa)內。而且，在調整該氣體壓力的同時，適宜地將旋轉臺52的表面溫度設定為規定溫度，並對玻璃基板20的溫度也進行適宜的控制(也可以是非加熱)。
其次，在被配置在各靶53a、53b上的電極上施加高頻電壓，被從靶53a、53b的表面擊出的二次電子就會在磁場的作用下獲得向心力，從而在靶53a、53b的表面上作軌跡為螺旋狀曲線的運動，直到遇到氬氣(Ar)而形成等離子體。
此後，當被導入氣腔51內的氬氣(Ar)碰撞到這些旋轉的電子時，氬氣就被離子化並轟擊靶53a、53b。從靶53a上彈射(sputtering)出氧化鈦，從靶53b上彈射出DLC，並且這些被濺射的粒子將沉積在旋轉臺52上的玻璃基板20之上。
最初，先關閉DLC側的擋門54b，只進行氧化鈦的濺射，在玻璃基板20之上僅進行氧化鈦的成膜以形成緩衝層33。被轟出的氧化鈦粒子從靶53a以高速撞擊旋轉臺52上的玻璃基板20。進行了碰撞的氧化鈦粒子，一部分被反射，其它的多數粒子則停留在玻璃基板20的表面上。這些粒子在玻璃基板20的表面上移動，與其它粒子形成粒子團，並被固定在玻璃基板20上的一部分上而形成核。另外，氧化鈦的凝聚力很強，所以，新被轟出的氧化鈦粒子就以該形成的核為中心不斷地沉積，因此容易形成凸凹表面。
當氧化鈦沉積在玻璃基板20上上形成了規定厚度(優選為5nm左右)的緩衝層33時，DLC側的擋門54b也逐漸打開，並逐漸關閉氧化鈦側的擋門54a。藉此，逐漸提高與玻璃基板20碰撞的濺射粒子中DLC的濃度。
由DLC(金剛石)那樣的非晶性物質通過濺射法得到濺射膜時，一般來說可以得到無凸凹的光滑的表面。另一方面，由氧化鈦那樣的結晶性物質通過濺射法得到濺射膜時，可以得到有凸凹形狀的表面。因此，將兩物質進行組合而得到濺射膜時，可以對此凸凹形狀進行任意控制。
所述對該凸凹形狀的控制可通過如下方法實現使向靶53a、53b的電極輸入的電力強度和頻率可變來調節等離子體放電中的電流密度，從而調整由靶發射出的原子(分子)的速度；或者調節擋門的開度而對濺射原子的比例進行調整。
通過這些工序，隔著緩衝層33，在玻璃基板20上形成高硬度材料(DLC)與高韌性材料(氧化鈦)的比例呈梯度分布的硬質層40。然後，作為該硬質層40的構成單位，當剖面為凸狀的硬質凸起41成長為所希望的高度後，就將氣腔51向大氣開放，並取出玻璃基板20。
在如此得到的玻璃基板20上，就形成了由緩衝層33和凸凹形狀的硬質層40構成的滑水層30。而且，構成此硬質層40的凸狀的硬質凸起41最終形成高度(厚度)為5～50nm(優選為10nm～30nm)、排列間距為10～200nm(優選為20nm～100nm)的凸起。另外，此硬質凸起的高度與被配置在該硬質凸起的谷間的疏水層31的厚度相對應。
下面，對取出的玻璃基板20的表面進行使疏水層31成膜的處理。此疏水層的成膜，例如採用通過浸漬塗覆方法。具體地說，將形成了硬質層的玻璃基板20浸漬在混合了氟化物的溶膠(丙二醇甲基醚與蒸餾水的比例為50∶50的溶劑)中，並以規定速度將其提起、乾燥後，進行規定的熱處理，使疏水層31固定。
通過以上的工序，就形成了對附著的液滴具有良好的滑水性能的滑水玻璃10的表面構造。
另外，在上述的說明中，以從緩衝層33連續地將硬質層40成膜的方法為一個例子進行了描述，但是也可以將各自的膜獨立地形成。另外，在疏水層31剛剛成膜之後，硬質凸起的頂端，也可以不像圖1(a)所示那樣露出於該疏水層，而是完全被埋沒。這是因為在使用過程中經過磨損，都會成為圖示的那樣。
另外，本發明的滑水玻璃10的表面構造，並不局限於如以上說明的那樣、具有表面凸凹形狀的硬質層40間隔一定厚度的緩衝層33而被接合在玻璃基板20上的情形，也可以不設置此緩衝層而將硬質層40直接固定在玻璃基板上。另外，在以上的說明中選擇了硬質凸起41由濃度呈梯度分布的複合材料構成，即，在接近玻璃基板20一側由韌性較高的緩衝材料構成，越向頂端方向、高硬質材料的含有率越高。但是，硬質凸起41由均一的高硬質材料構成的情況也是可以的。
另外，硬質層40的表面凸凹形狀是通過濺射方法而生成的，但是其生成方法並不局限於此，也可利用其它的物理或化學方法。
另外，附著於滑水玻璃10的表面上的液滴是一種廣義概念，除了水滴、油滴以外，它還廣泛包含具有流動性的其它的物質。
權利要求
1.一種滑水表面構造，能使滴落到基板上的液滴的滑水性提高，其特徵在於將滑水層設置在上述基板的表面上，所述滑水層包括硬質層，所述硬質層的主要成分為比上述基板的硬度高的高硬度材料，並且該硬質層由連續的凸凹形狀構成；疏水層，所述疏水層充填在該硬質層的凹部並由疏水性材料構成，所述疏水性材料與滴落的液滴的接觸角為90°以上。
2.如權利要求1所述的滑水表面構造，其特徵在於構成上述硬質層的凸狀的硬質凸起由複合材料構成，該複合材料包括上述高硬度材料和高韌性材料，所述高韌性材料的韌性比上述高硬度材料的韌性高。
3.如權利要求2所述的滑水表面構造，其特徵在於上述複合材料的構成為從上述硬質凸起的頂端部越靠下端部，其含有上述高韌性材料的濃度越高。
4.如權利要求1～3所述的滑水表面構造，其特徵在於在與上述基板接觸的面上，上述滑水層還具有由高韌性材料構成的緩衝層。
5.如權利要求1～4所述的滑水表面構造，其特徵在於上述高硬度材料含有DLC。
6.如權利要求1～5所述的滑水表面構造，其特徵在於上述疏水性材料含有氟樹脂。
7.如權利要求2～6所述的滑水表面構造，其特徵在於上述高韌性材料含有氧化鈦。
8.如權利要求1～7所述的滑水表面構造，其特徵在於上述滑水表面構造用於汽車的窗玻璃。
全文摘要
本發明涉及一種能長時間維持滑水效果的滑水玻璃，其目的是提供一種對刮水器等擦拭部件所進行的擦拭動作具有較高耐久性的滑水表面構造。滑水玻璃(10)的表面構造可提高對滴落到基板(20)上的液滴的滑水性，其特徵在於，在玻璃基板(20)的表面上設有滑水層(30)，所述滑水層(30)具有硬質層(40)，其以比玻璃基板(20)的硬度高的高硬度材料為主成分，由連續的凸凹形狀構成；和疏水層(31)，其被充填在該硬質層(40)的凹部中，並由與滴落的液滴的接觸角在90°或90°以上的疏水性材料構成。
文檔編號C03C17/22GK1824622SQ200510072200
公開日2006年8月30日 申請日期2005年5月25日 優先權日2004年5月25日
發明者早川由紀夫 申請人:本田技研工業株式會社