专利名称：具有液体排斥表面的结构体，喷墨头的喷嘴板，以及清洗结构体和喷嘴板的方法
技术领域：
本发明涉及具有液体排斥表面的结构体，喷墨头的喷嘴板，以及清洗结构体和喷嘴板的方法，并且更具体地涉及具有凹凸结构、表现出出色的液滴滑落性的超液体排斥表面。
背景技术：
已知用于通过化学处理，如用氟树脂或硅氧烷树脂涂布等在固体表面赋予液体排斥性的技术。另一方面，同样已知的是，固体表面的液体排斥性可以通过结构处理，如凹凸结构的形成而改变，并且通过该方法可以获得通过单独的化学处理不能获得的高接触角。尤其是，表现出不小于150°的接触角的表面被称为超疏水表面或超液体排斥表面。日本专利申请公布号07-197017描述了一种固体，所述固体具有使用烷基酮二聚 体和二烷基酮作为低表面张力的材料形成为具有5以上的表面积放大系数的分形结构的液体排斥表面。日本专利申请公布号2006-182014描述了一种液体排斥增强结构，所述增强结构通过使形成在基板上的孔穴的内壁与基板的厚度方向基本上平行(α <126° )，以使得空气泡填充液滴下方的孔穴，从而即使对在光滑表面上具有不大于90°的接触角的液体也能够增加接触角。“设计超疏油表面(Designing Superoleophobic Surfaces) ”(Anish Tuteja 等，Science 318,1618(2007))描述了采用凹陷结构以使得即使对于在光滑表面上具有不大于90°的接触角的液体(例如，辛烷)也能够赋予高液体排斥性。
发明内容
近年来，在多个工程领域，如建筑和机械运输，在静态液体排斥性之上，还需要容易地移除附着液滴的能力，并且因此寻求动态液体排斥性如液滴滑落性。在喷墨技术的情况下，同样需要移除附着于喷嘴面的墨，并且动态液体排斥性是重要的参数。日本专利申请公布号07-197017中描述的结构针对在光滑表面上具有不小于90°的接触角的液体，并且未被用于对于在光滑表面上具有小于90°的接触角的液体获得液体排斥性。此外，未研究液滴滑落性。日本专利申请公布号2006-182014也未研究液滴滑落性。至于“设计超疏水表面(Designing Superoleophobic Surfaces) ”中描述的表面结构，虽然未直接涉及液滴滑落性，作为前进与后退接触角之间的差别并且是液滴滑落性的一个指示的接触角滞后极低，并且该结构被认为具有高液滴滑落性。然而，在液滴尺寸类似于或小于凸部之间的空隙的尺寸的情况下，或在任意类型的外部力作用在液滴上的情况下，液滴可以进入凹部。如果液体进入凹部，那么超液体排斥性丧失，并且在凹陷结构的情况下，难以移除凹部内的液滴。尤其是，在将该结构在喷墨头的喷嘴板中使用的情况下，墨雾可以容易地进入凹部，从而液体排斥性和液滴滑落性容易变差，并且这些性质不能容易地恢复。考虑到这些情形从而做出本发明，其目的是提供具有液体排斥表面的结构体和包括所述结构体的喷墨头的喷嘴板，它们具有出色的液体排斥性和液滴滑落性，并且在丧失高液体排斥性和液滴滑落性的情况下可以通过清洗而恢复，并且提供清洗结构体和喷嘴板的方法。为了实现上述目的，本发明涉及具有对液体表现出排斥性的液体排斥表面的结构体，所述结构体包括基板，所述基板具有基体表面；以及多个凸部，所述多个凸部排列在基板的基体表面上，其中凸部具有特征角，所述特征角被定义为每个凸部的侧面和与侧面相交并且平行于基体表面的平面之间的角度，该角度在侧面上的凸部内侧并且在平面上的 基体表面一侧取得；并且所述凸部的所述特征角小于90°并且小于参考角，所述参考角作为液体相对于参考面的静态接触角单独地确定，所述参考面是光滑的并且具有与每个凸部的侧面的化学状态等同的化学状态。根据本发明的这个方面，凸部的特征角小于90°，所述特征角定义为每个凸部的侧面和与侧面相交并且平行于基体表面的平面之间的角度，所述角度在侧面上的凸部内侧并且在平面上的基体表面一侧取得，换言之，凸部具有倒锥形形状。此外，特征角小于参考角，所述参考角作为液体相对于光滑并且具有与每个凸部的侧面的化学状态等同的化学状态的参考面的静态接触角单独地确定。因此，当液滴沉积在结构体上时，可以使凹部内侧的液体表面形状成为超向凹部内侧的凸面。因此，可以通过拉普拉斯压力将液体从凹部斥离，并且可以获得液体排斥性。此外，因为可以减小液体与液体排斥表面之间的接触面积，那么可以减小粘附能，并且可以将液体以小滑落角移除。这里，“液体在光滑表面上的静态接触角”意指在具有不大于5nm的粗糙度平均值(Ra)的光滑表面上测量的液体的静态接触角。优选地凸部具有平行于基体表面的顶面并且具有距基体表面的均匀高度。根据本发明的这个方面，因为将凸部的顶面形成为与基板平行并且将凸部形成为均匀高度，可以赋予基板的液体排斥表面均匀的液体排斥性。这里，“凸部的顶面”意指凸部在与基板相反一侧的表面。优选地，凸部的顶面的总面积相对于基体表面的总面积的比例不高于O. 4。根据本发明的这个方面，凸部的顶面相对于全部基体表面的面积比不高于O. 4，因此可以减少液体与液体排斥表面之间的接触面积。因此，可以降低粘附能，并且从而可以提高液滴滑落性并且即使小液滴也可以滑落。优选地，结构体还包括覆盖基体表面和凸部的液体排斥涂层。根据本发明的这个方面，因为将液体排斥涂层形成在液体排斥表面上，可以增加液滴在光滑表面上的接触角。因此，即使在液滴具有小表面张力的情况下，也可以增加接触角，并且因此可以增加可使用的液体的种类。优选液体排斥涂层上10 μ I水的液滴的滑落角不大于40°。根据本发明的这个方面，通过将滑落性设定为上述条件，可以容易地移除附着于液体排斥表面的液体。 优选地液体排斥涂层由含有氧的全氟烷基硅烷组成。
根据本发明的这个方面，通过使用含有氧的全氟烷基硅烷作为用于液体排斥涂层的材料，可以形成具有良好滑落性的液体排斥涂层。为了实现上述目的，本发明还涉及清洗结构体的方法，所述方法包括以下步骤用相对于参考面具有小于凸部的特征角的静态接触角的清洗液清洗结构体；并且之后将残留在结构体上的清洗液用相对于参考面具有大于凸部的特征角的静态接触角的取代液取代。根据本发明的这个方面，首先，将结构体用相对于参考面具有小于凸部的特征角的静态接触角的清洗液清洗。通过使用具有小于凸部的特征角的静态接触角的清洗液，可以使得清洗液容易地进入凸部之间的凹部的内部，并且从而可以容易地进行清洗。之后，用相对于参考面具有大于凸部的特征角的静态接触角的取代液进行保留在凹部内的清洗液的取代。通过使用具有大于凸部的特征角的静态接触角的取代液，作用在凹部内的取代液上的力将取代液从凹部斥离，并且因此使得凹部内的取代液从凹部移出。因此，因为在取代步骤结束之后防止了液体保留在凹部内部，可以恢复液体排斥表面。 为了实现上述目的，本发明还涉及包括所述结构体的喷墨头的喷嘴板。可以将上面描述的具有液体排斥表面的结构体令人满意地用作喷墨头的喷嘴板。优选地将凸部仅排列在距离喷嘴至少10 μ m的区域中。根据本发明的这个方面，将凸部形成在距离喷嘴至少ΙΟμπι的区域中，并且不形成在喷嘴周边。因此，可以防止从喷嘴的喷出偏移，所述喷出偏移在作为喷嘴形成过程中的对准误差的结果的不对称喷嘴形状的情况下出现。为了实现以上目的，本发明还涉及清洗喷嘴板的方法，所述方法包括以下步骤用相对于参考面具有小于凸部的特征角的静态接触角的清洗液清洗喷嘴板；并且之后将残留在喷嘴板上的清洗液用相对于参考面具有大于凸部的特征角的静态接触角的取代液取代。根据本发明的这个方面，与上述用于结构体的清洗方法类似，通过利用拉普拉斯压力可以使得清洗液和取代液容易地进入并离开凹部，并且从而可以容易地进行凹部内部的清洗。根据本发明的具有液体排斥表面的结构体，用于所述结构体的清洗方法，喷墨头的喷嘴板，用于喷嘴板的清洗方法，可以获得具有出色的液滴滑落性的液体排斥表面，并且此外，还可以提高清洗性。
下面将参考
本发明的特征和它的其他目的和益处，其中各图中相同的附图标记表示相同或相似的部分，并且其中图I是显示Wenzel模型的示意图；图2是显不Cassie-Baxter模型的不意图；图3Α和3Β是用于描述毛细作用的图；图4是用于说明液体的接触角和凸部的特征角之间的关系的图；图5Α至是用于描述在基板上形成凹凸结构的方法的图；图6是显示具有带凹凸结构的液体排斥表面的结构体的一个实例的平面图；图7A至7C是显示具有带凹凸结构的液体排斥表面的结构体的截面的图；图8是显示喷墨记录装置的一般示意图9A和9B是显示喷墨头的结构的实例的平面透视图；图10是沿图9A中线10-10的截面图；图11是显示喷嘴板表面的实例的平面图；图12A和12B是说明在没有第一液体排斥区域的情况中的问题的图；图13A和13B是比较例中清洗之前和之后的液体排斥表面的视图；图14A和14B是本发明的实施例中清洗之前和之后的液体排斥表面的视图；并且图15是显示凸部的比例与滑落角之间的关系的图。
具体实施方式
<液体排斥性>已知将凹凸微结构形成在表面上以便提高表面的液体排斥性。宽泛地说，有描述粗糙表面的两个模型。图I给出了 Wenzel模型，它是模型之一并且认为包括形成在固体50上的凸部61和凹部62的凹凸微结构60增加表面积，这增大液滴70的接触角。这里，由杨氏等式给出的液体在固体的光滑表面上的接触角Θ与液体在固体的粗糙表面上的表观接触角9￥之间的关系表达为cos Θ w = r · cos Θ ,(I)其中r是定义为光滑表面上的表面积与粗糙表面上的表面积之间的比率的表面积放大系数。从等式(I)观察到如果光滑表面具有对液体的排斥性或者接触角Θ大于90°，粗糙表面具有提高的对液体的排斥性，而如果光滑表面具有对液体的亲和性或者接触角Θ小于90°，粗糖表面具有提闻的对液体的未和性。因此，对于在光滑表面上具有大于90°的接触角的液体，可以通过增加表面积放大系数，例如通过分形结构的方式，实现超液体排斥表面；然而，对于在光滑表面上具有小于90°的接触角的液体，粗糙表面表现出比光滑表面更大的对液体的亲和性，并且表面的粗糙化对于具有低表面张力的液体不能增加液体排斥性。图2显不另一个模型或Cassie-Baxter模型,它考虑位于由具有不同表面张力的两种物质，即，凸部61的物质和填充凹部62的其他物质构成的复合表面上的液滴70。这里，液体在粗糙表面上的表观接触角Θ。基于由杨氏等式给出的液体在两种物质的光滑表面上的接触角Θ工和Θ 2确定，并且表示为cos Θ c = A1 · cos Θ ^A2 · cos Θ 2，(2)其中A1和A2是显示复合表面中物质的分面积的比率的系数，并且具有以下关系A^A2 = I。(3)在Cassie-Baxter模型中，考虑两种物质之一是空气，换言之，将包括凸部61和凹部62的凹凸微结构60形成在固体50上，并且液滴70仅与凸部61的顶面接触，如图2中所示。这里,液体对空气的接触角92为180°，并且因此表达式(2)中的表观接触角Θ。可以表示为cos Θ c = A1 · cos Θ J(I-A1) · cos (180。)。(4)从等式(4)可以看出，与Q1的值无关，可以通过减少凸部61的顶面的分面积比Ajl加静态接触角Θ。。更详细地，即使对在光滑表面上具有不大于90°的接触角的低表面张力的液体，也可以通过采用其中使空气保持陷入凹部62中的状态获得高液体排斥性。这符合在具有不大于90°的接触角的低表面张力的液体的情况下的凹凸结构和液体性质的条件的描述，借此，如在Cassie-Baxter模型中，液体不进入凹部。液体的拉普拉斯压力可以用于防止液体渗入至凹部中。这里对于毛细作用进行描述。如图3A中所示，在平行毛细管的情况下，毛细管中液体的表面被固体的表面张力、拉至毛细管中，并且由固体-液体界面张力￥%从毛细管拉出。那么，液体表面受到通过将这两个拉力之差乘以具有半径r的毛细管的周长获得的力。通过将受到的力除以毛细管的截面面积，可以得到作用于毛细管中液体表面的压力ΛΡ，为
权利要求
1.一种具有对液体表现出排斥性的液体排斥表面的结构体，所述结构体包括 基板，所述基板具有基体表面；以及 多个凸部，所述多个凸部排列在所述基板的所述基体表面上，其中 所述凸部具有特征角，所述特征角定义为在每个所述凸部的侧面和与所述侧面相交并且平行于所述基体表面的平面之间的角度，所述角度在所述侧面上的该凸部内侧并且在所述平面上的所述基体表面一侧取得；并且 所述凸部的所述特征角小于90°并且小于参考角，所述参考角作为所述液体相对于参考面的静态接触角单独地确定，所述参考面是光滑的并且具有与每个所述凸部的所述侧面的化学状态等同的化学状态。
2.如权利要求I所述的结构体，其中所述凸部具有平行于所述基体表面的顶面并且具有距所述基体表面的均匀高度。
3.如权利要求I所述的结构体，其中所述凸部的顶面的总面积与所述基体表面的总面积之比不高于O. 4。
4.如权利要求I所述的结构体，所述结构体还包括覆盖所述基体表面和所述凸部的液体排斥涂层。
5.如权利要求4所述的结构体，其中所述液体排斥涂层上10μ I水液滴的滑落角不大于 40。。
6.如权利要求4所述的结构体，其中所述液体排斥涂层由含有氧的全氟烷基硅烷组成。
7.一种清洗如权利要求I中所述的结构体的方法，所述方法包括以下步骤 用清洗液清洗所述结构体，所述清洗液相对于所述参考面的静态接触角小于所述凸部的所述特征角；以及 之后将残留在所述结构体上的所述清洗液用取代液取代，所述取代液相对于所述参考面的静态接触角大于所述凸部的所述特征角。
8.—种喷墨头的喷嘴板，所述喷嘴板包括如权利要求I所述的结构体。
9.如权利要求8所述的喷嘴板，其中所述凸部仅排列在距离喷嘴至少10μ m的区域中。
10.一种清洗如权利要求8所述的喷嘴板的方法，所述方法包括以下步骤 用清洗液清洗所述喷嘴板，所述清洗液相对于所述参考面的静态接触角小于所述凸部的所述特征角；以及 之后将残留在所述喷嘴板上的所述清洗液用取代液取代，所述取代液相对于所述参考面的静态接触角大于所述凸部的所述特征角。
全文摘要
本发明涉及具有液体排斥表面的结构体，喷墨头的喷嘴板，以及清洗结构体和喷嘴板的方法。本发明的结构体具有表现出对液体的排斥性的液体排斥表面。该结构体包括基板，所述基板具有基体表面；以及多个凸部，所述凸部排列在基板的基体表面上。凸部具有特征角，所述特征角被定义为每个凸部的侧面和与该侧面相交并且平行于基体表面的平面之间的角度，所述角度在侧面上的凸部内侧并且在所述平面上的基体表面一侧取得。凸部的特征角小于90°并且小于参考角，所述参考角作为液体相对于参考面的静态接触角被独立地确定，所述参考面是光滑的并且具有与凸部的侧面的化学状态等同的化学状态。
文档编号B41J2/165GK102963130SQ2012103164
公开日2013年3月13日 申请日期2012年8月30日 优先权日2011年9月1日
发明者平林恭稔, 安田英纪, 都丸雄一 申请人:富士胶片株式会社