易于清洁的表面及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本公开广义地设及易于清洁的表面及制备它们的方法。
【背景技术】
[0002] 存在各种商业产品W帮助车主保持车辆表面的外观和清洁。典型的此类产品是声 称帮助保护表面免受环境损害同时提供高光泽、光滑外观的蜡、糊剂、和密封剂。通常，此类 产品提供常常产生约90°的水接触角的疏水表面（例如，如就卡洛己蜡、硅氧烷蜡和密封 剂而言）。该效应被称为"水珠化"。
[0003] 当干燥时，水珠化留下由存在于水中的灰尘或其他污染物浓缩引起的斑点形式的 灰尘残余。当水特别脏时，例如，如在融雪、泥或路面喷雾中发现的，该问题变得更糟糕。
[0004] 人们已经研究了表面粗糖度和孔隙率对润湿的影响（参见例如，A.B.化化SSie 和S.Baxter的"多孔表面的润湿性"，法拉第学会学报，1944年，第40卷，第546-551页） (A.B.D.CassieandS.Baxter，"WettabilityofPorousSurfaces"，Trans.Faraday Soc. ,1944,Vol. 40,pages546-551)。最近，已经努力研究精确表面结构W研发自清洁"荷 叶效应"类型的表面；参见例如K.J.Kubiak等人的"可润湿性对工程表面的粗糖度"，Wear， 2011 年第 271 卷，第 523-528 页（"Wett油ilityversusrou曲nessofengineering sudaces"，Wear, 2011，Vol. 271，pp. 523-528)。然而，假如此类表面中的许多经由工艺诸 如平版印刷、蚀刻或者可W不容易转移到在媒介物上找到的复杂曲线的薄膜沉积制成，那 么此类表面的大规模生产一定不简单。
[0005] 近年来已经引进声称提供"水膜化"而不是"水珠化"行为的各类商业产品，运样 可减少或消除干燥时的水斑。水膜是亲水表面引起的，亲水表面可W被水有效地润湿，从而 允许水从表面排出。然而，提供持久、耐用的水膜表面的现有产品通常具有缺点，诸如使它 们沉积所需的无法接受的高含量溶剂，或需要讨厌的热固化或福射固化。
[0006] 因此，存在对于提供持久的水膜效应而不需要在制备它们时使用高含量溶剂或讨 厌的固化条件的亲水表面涂层和制备它们的简单的方法的需要。此外，希望此类表面在外 观上是美学上可接受的。
【发明内容】
[0007] 本公开提供了制备易于清洁的和/或保持清洁的表面，尤其是从水珠化表面制备 的方法。该方法包括研磨基材的表面直到其达到指定的粗糖度（例如，R。在10纳米（nm) 至3500nm的范围内，对应于光泽度和/或糖面外观的降低），并且然后将纳米二氧化娃基涂 层组合物处理施加到经研磨的表面。
[0008] 意料不到的是，根据本公开的沉积在经研磨的表面上的纳米二氧化娃基涂层导致 耐用的、水膜的、易于清洁的和/或保持清洁的表面（例如，降低的粉尘积聚、灰尘积聚和/ 或光泽度的保持）。另外，根据本公开的方法可W容易地用于=维基材和/或其中对专用设 备的触达受限的野外定线，并且可W在很少或没有溶剂的情况下操作。有利地，通过使用结 构化的研磨产品，该方法可W操作成使得能够避免圆凿和野蛮刮痕，从而导致在美学上期 望的均匀外观。
[0009] 在一个方面，本公开提供了在基材上提供易于清洁的水膜涂层的方法，该方法包 括W下步骤：
[0010] a)使用磨料制品来研磨基材的表面的至少一部分，W提供具有在10纳米（nm)至 3500nm的范围内的表面粗糖度R。的经研磨的表面；
[0011] b)使可涂覆型组合物接触经研磨的表面的至少一部分，其中该可涂覆型组合物包 含二氧化娃粒子，并且其中二氧化娃粒子具有IOOnm或更小的平均粒度；W及
[0012] C)至少部分地从可涂覆型组合物去除水，W在基材上提供易于清洁的水膜涂层。
[0013] 在另一方面，本公开提供了套件，该套件包括：
[0014] 包含通过粘结剂固定到背衬的磨料颗粒的磨料制品；和
[0015] 包含二氧化娃粒子的可涂覆型组合物，并且其中二氧化娃粒子具有IOOnm或更小 的平均粒度。
[0016] 如本文所用，术语"易于清洁的"意指基本上能够通过单独使用皂和水冲洗而清 洁，而不需要洗涂工具诸如海绵、擦拭器、布、和/或刷。
[0017] 如本文所用，术语"R。"是指平均表面粗糖度，并且被定义为距平均高度的距离的 绝对值的积分。平均高度是高度轮廓的算术平均值。函数Z(X)是指在评估长度1上测量 的位置X处的高度与平均高度之间的差值：
[0019] 如本文所用，术语"Rq"表示在取样长度1内的纵坐标值Z(X)的均方根值。
[0021] 如本文所用，术语"R,k"是指在取样长度1内的纵坐标值Z(X)和Rq的立方的平均 立方值的商。
[0023] 在考虑【具体实施方式】W及所附权利要求书时，将进一步理解本公开的特征和优 点。
【附图说明】
[0024] 图1是根据本公开制备的在其上具有易于清洁的水膜表面涂层的示例性基材的 不意图。
[0025] 图2为可用于操作本公开的方法的磨料制品的示意性侧视图。
[0026] 应当理解，本领域的技术人员可W设计出多个其他修改形式和实施例，运些修改 形式和实施例落入本公开的原理的范围和实质内。附图可W不按比例绘制。
【具体实施方式】
[0027] 根据本公开，基材的表面可W通过包括W下步骤的方法而被改性成易于清洁的水 膜表面：使用磨料制品来研磨基材的表面的至少一部分，W提供具有在IOnm至3500nm的范 围内的表面粗糖度R。的经研磨的表面；W及使可涂覆型组合物接触经研磨的表面的至少一 部分。图1示出示例性的此类改性基材10。参考图1，易于清洁的水膜表面涂层15设置在 基材20的经研磨的表面12上。
[0028] 优选地，基材的表面在开始研磨步骤之前是清洁的，但是运不是必要条件。例如， 研磨过程本身可W在研磨期间从表面除去灰尘和污溃。如果期望独立的清洁步骤，那么可 W例如通过用皂或洗涂剂和水来洗涂该表面、用水从表面彻底地冲洗任何残余的皂并且任 选地擦干或允许表面风干来执行。
[0029] 研磨可W使用能够用于实现期望的表面粗糖度（即，表面粗糖度平均值R。在 10皿至3500皿的范围内，优选地在100皿至1000皿的范围内，并且更优选地在200皿至 600nm的范围内）的任何磨料制品来进行。具有期望的R。粗糖度的表面通常具有低的光泽 度（尤其是20°的光泽度）和/或糖面外观。R。可W例如使用可商购获得的轮廓曲线仪 (诸如例如购自新泽西州普莱恩维尔市的威科仪器有限公司（VeecoInstrumentsInc.， Plainview，化WJersey)的WYKONT3300光学轮廓曲线仪）来测量。
[0030] 优选地，至少在将用可涂覆型组合物涂覆的基材表面的部分上，经研磨的表面的 表面粗糖度和/或外观基本上是均匀的（例如，没有人类肉眼可W看见的野蛮刮痕和圆 凿）。
[0031] 用于操作本公开的合适的基材包括，例如塑料基材、金属基材、喷漆基材、陶瓷基 材和玻璃纤维基材。基材可W包含玻璃或透明塑料，但是应当理解，根据本发明研磨的任何 透明基材可W损失透明性。合适的基材的示例包括车辆（例如，公共汽车、货车、汽车、轨道 车、机车、大篷货车、手推车、旅宿汽车、飞机、自行车、船和驳船）、桥梁、外部建筑面板、淋浴 设备、浴缸、拖车、标志（例如，交通标志、广告招牌、寛虹灯）、带有聚合物清漆的基材、W及 户外家具（例如塑料桌椅或金属桌椅）。本公开可W有效地在其上被喷漆的（例如，内墙 和/或外墙）和/或具有聚合物清漆的表面上操作，尤其是如果该表面在研磨步骤之前已 经具有糖面外观。
[0032] 该磨料制品可W是能够研磨基材的表面并实现在IOnm至3500nm的范围内的表面 粗糖度R。的任何磨料制品。示例包括砂纸、非织造磨料、结构化的磨料制品、和/或研磨剂。 结构化的磨料制品一般包括固定到背衬的成形的磨料复合物。成形的磨料复合物包括保持 在粘结剂材料（通常被称为粘结剂）中的磨料制品。成形的磨料复合物可W具有任何预期 的形状，并且可由粘结剂前体的可固化浆液W及磨料颗粒通过方法诸如例如丝网印刷、压 印或涂覆到生产工具的腔中并且然后使粘结剂前体固化来形成。
[0033] 在磨料制品的制备期间，粘结剂前体暴露于适当的条件（目P，加热、紫外线福射、 可见光福射、或电子束）W将粘结剂前体转化成固体粘结剂。通常，粘结剂前体转化成固体 (例如，热固性）粘结剂是固化处理诸如聚合和/或交联的结果。
[0034] 粘结剂前体优选地能够通过福射能或热能来固化。福射能源包括电子束能、紫外 光、可见光、和激光。如果利用紫外光或可见光，则优选地将光引发剂包括于混合物中。当 暴露于紫外光或可见光时，光引发剂产生自由基源或阳离子源。此自由基源或阳离子源引 发粘结剂前体的聚合。当利用电子束能量源时，光引发剂是任选的。
[0035] 能够通过福射能固化的粘结剂前体的示例包括（甲基）丙締酸醋化的聚氨醋、（甲 基）丙締酸醋化的环氧树脂、締键式不饱和化合物、具有一个或多个侧（甲基）丙締酷基的 氨基塑料衍生物（即：
其中R5是氨或甲基）、具有至少一个侧（甲基）丙 締酷基的异氯脈酸醋衍生物、具有至少一个侧（甲基）丙締酷基的异氯酸醋衍生物、乙締 酸、环氧树脂、W及它们的组合。术语甲基）丙締酸醋"是指丙締酸醋和/或甲基丙締酸 醋。适当的一种或多种自由基光引发剂和/或一种或多种阳离子光催化剂通常与福射固化 性粘结剂前体一起使用。适当的化合物的选择将取决于所选择的一种或多种粘结剂前体， 并且在本领域中是已知的。
[0036] 合适的粘结剂前体的示例包括多异氯酸醋、双组份聚氨醋、环氧树脂、氯酸醋树 月旨、締键式不饱和化合物（例如，多官能的丙締酸醋和甲基丙締酸醋）、乙締基酸、氨基塑 料、酪醒树脂、W及它们的组合。
[0037] 合适的磨料颗粒的示例包括包含材料诸如烙融氧化侣、陶瓷氧化侣、白色烙融 氧化侣、热处理的氧化侣、二氧化娃、碳化娃、绿色碳化娃、氧化侣-氧化错、金刚石、二氧 化姉、立方氮化棚、石恼石、娃藻±、W及它们的组合的粒子。陶瓷氧化侣优选地根据溶 胶-凝胶法来制备，诸如在美国专利号4, 314, 827化eitheiser) ;4, 623, 364 (Cottringer等 人）；4, 744, 802 (Schw油el等人）；4, 770, 671(Monroe等人）；4, 881，951(Monroe等人）； 5, 011，508(Wald等人）；W及 5, 213, 591 (Cel化kaya等人）中报道的。
[0038] 陶瓷氧化侣磨料颗粒包括a氧化侣，并且任选地包括金属氧化物改性剂，诸如氧 化儀、氧化错、氧化锋、氧化儀、二氧化给、氧化锭、二氧化娃、氧化铁、二氧化铁、氧化铜、二 氧化姉、氧化钦W及它们的组合。陶瓷氧化侣还可W任选地包括成核剂，诸如a氧化侣、氧 化铁、氧化铁前体、二氧化铁、氧化铭或它们的组合。陶瓷磨料颗粒还可W包括表面涂层， 例如，如在本领域中已知的。表面涂层可W改善磨料颗粒与粘结剂之间的粘附性和/或可 W改变磨料颗粒的研磨特性。此类表面涂层在美国专利号l，910,444(Nicholson) ;3,041， 156(Rowse等人）；4, 997, 461(Maridioff等人）成 009, 675(Kunz等人）；5, 011，508(Wald 等人）成042, 991 (Kunz)W及5, 213, 591 (Cel化kaya等人）中报道。磨料颗粒还可W在它 们的表面上包含偶联剂，诸如硅烷偶联剂。
[0039] 粘结剂可W包含单一类型的磨料颗粒、两种或更多种类型的不同磨料颗粒、或具 有至少一种类型的稀释剂材料的至少一种类型的磨料颗粒。用于稀释剂的材料的示例包括 碳酸巧、玻璃泡、玻璃珠、玄武石、大理石、石膏、粘上、Si〇2、邸F4、Na2SiFe、冰晶石、有机泡，W 及有机小珠。
[0040] 为在本公开中使用，磨料颗粒（作为整体来看）优选地具有在约1微米至202微 米、更优选地在3微米至75微米并且甚至更优选地在6微米至26微米的范围内的中值粒 径（即，DJ，虽然也可W使用其他粒度。示例性磨料颗粒包括具有FEPA(欧洲标准）指定 标称等级为P80至P2500(包括端值在内）的那些。运些包括，例如阳PAP等级P80、P150、 P180、P220、P240、P280、P320、P360、P400、P500、P600、P800、P1000、P1200、P1500、P2000、 W及P2500JIS(日本工业标准）等级名称JIS60、JIS80、JIS100、JIS150、JIS180、JIS220、 JIS240、JIS280、JIS320、JIS360、JIS400、JIS600、JIS800、JIS1000 、JIS1500、JIS2500、JIS4000、JIS6000、W及JIS8000 ;W及它们的组合。
[0041] 背衬可W为任何常规的磨料背衬。可用的背衬的示例包括聚合物膜、涂底漆的聚 合物膜、布料、纸材、非织造物（例如，纺粘的、水刺的或烙融纺丝的）、W及它们的组合。优 选地，背衬是柔性的。
[0042] 背衬还可W在其背部表面上具有附接装置，W允许将所得的涂附磨具固定到支撑 垫或备用垫。附接装置可W是压敏粘合剂、钩环式附接系统中的一个表面、或螺纹突出部， 如在美国专利号5, 316, 812 (Stout等人）中报道的。另选地，可W存在相互晒合附接系统， 如在美国专利号5, 201，101 (Rouser等人）中报道的。
[0043] 图2示出可用于操作本公开的示例性结构化的磨料制品。现在参见图2,可用于 实施本公开的示例性结构化的磨料制品100具有磨料层120,该磨料层