具有自洁表面的家用器具及用于制造该家用器具的方法与流程

本发明涉及一种家用器具及用于制造该家用器具的方法，所述家用器具具有设置在基础材料上的至少一个自洁表面，其中，所述自洁表面包括多个双微米尺度结构。

背景技术

从固体基材移除材料以形成微米尺度和/或纳米尺度结构通常称为微机械加工。激光烧蚀是一种采用高能激光束从固体基体表面去除材料的微机械加工形式。改变固体基体的表面结构也使得能够改变其表面性质。例如，通过产生微米尺度和/或纳米尺度结构，可以改变表面的疏水性，使得表面变得高度防水。

在自然界中，这种效果可以在荷叶上观察到，荷叶以其自洁特性而闻名。荷叶表面呈现独特的微米尺度和纳米尺度的结构。水具有相当高的表面张力，因此水滴呈近似球形。球体具有最小的表面，因此具有最小的表面能。在与一表面接触时，粘附力完全或不完全地使液滴扩散并使表面润湿。润湿程度与表面性质、例如结构以及水或通常地说流体的表面张力有关。荷叶表面呈双重结构，所述双重结构显著降低了液滴与表面之间的接触面积和附着力，使叶片疏水和高度防水。分层的双重结构由高度为10至20μm、宽度为10至15μm、叠加有表面蜡质的特有的乳突形成。

表面疏水性的度量是液滴在表面上的接触角。接触角越大，表面越疏水。接触角<95°的表面称为亲水性，接触角>95°的表面称为疏水性。接触角高达160°至180°的表面被认为是超疏水的，这意味着只有3％至0.5％的液滴区域与表面接触，从而产生观察到的自洁效果。

从表面滚落的水滴拾取污垢颗粒，由此容易地除去污垢颗粒。如果水滴在污染的表面区域上滚动，则无论污垢颗粒的成分如何，污垢颗粒与液滴之间的粘附力都大于颗粒和表面之间的粘附力。

家用器具可能会接触到灰尘、污垢、食物或人体皮肤。这可能导致清洁问题，更重要的是可能导致卫生问题，因为微生物可长期在家用器具上沉积和增殖。

通常，家用器具的外部构件上存在污渍与不良卫生感有关。不锈钢或玻璃等表面通常难以清洁。一些污渍、例如烧焦的污渍也需要消费者的大量清洁工作。食物污渍在烹饪场景(炉盘、烤箱)中被感知，也在储存家用器具中、例如冰箱中被感知。

此外，通常在载水家用器具中清洗已经以各种方式弄脏的物品。因此，在洗碗机中出现食物残留，洗衣机中待清洁的衣物中出现的污垢范围通常更大。由此，污垢可特别地在难以接近的部位出现并积聚，并且可能是微生物的良好营养物或可能导致难闻的气味。

因此，希望提供一种具有表现出自洁特性的表面的家用器具。

表面改性的材料是已知的。

公开us2015/0136226a1披露了一种金属或金属合金，其包括至少一个表面区域，所述表面区域包括多个微米尺度结构形状和多个纳米级结构形状，其中，所述至少一个表面区域是超疏水的，其中，对于0.1μm至500μm范围内的至少一些电磁辐射波长，至少一个表面部分具有小于60％的光谱反射率。

公开美国专利5635089披露了一种材料上的表面，所述表面具有高度小于200微米、厚度小于100微米的周期性的锥形表面结构。该表面还包括位于所述锥形表面结构之间的宽度小于300微米的凹谷。

公开wo2015/048504a2披露了一种拒液人造表面，其包括：其上包含多个微结构的表面，所述微结构以小于500μm的间距间隔开并且具有位于各自基础结构的顶部的双重凹入拓扑结构以及小于50％的液体-固体接触分数(fs)，其中，双重凹入拓扑结构包括帽部分和从帽部分的周边延伸的向下延伸的唇缘。

公开us2013/0138103a1披露了一种具有微/纳米结构的电外科单元，包括：手柄；叶片，所述叶片设置在手柄的一端处，并具有由微/纳米元件的混合物构成的微/纳米结构。

公开us2004/0208791a1披露了一种超疏水表面，其包括：基体，所述基体具有其上具有多个基本上形状相同的微凸体，每个微凸体都具有相对于基板的共同的微凸体上升角，微凸体定位成使得表面的以每平方米表面积的接触线米数测量的接触线密度等于或大于根据下式确定的接触线密度值“λl”：

其中γ是与表面接触的液体的表面张力，单位为牛顿/米，θa,0是实验测量的液体在微凸体材料上的真正前进接触角度，单位为度，ω是微凸体上升角度，其中所述表面在至少一个大气压的压力下与液体呈现液-固-气界面。

ep2669040a1披露了一种制造表面的方法，其中所述表面具有尺寸在亚微米范围内的结构。该表面包括下述材料，该材料包含至少一种陶瓷、至少一种无机玻璃、碳、硼、硅、至少一种无机纤维和/或非纤维状碳和/或氮化硼，其含有具有陶瓷和/或碳基质的复合材料、至少一种金属-陶瓷复合材料或至少一种由金属和/或金属合金制成的复合材料，该材料包含含有颗粒和/或纤维的导热的碳质和/或氮化硼，并且该材料可至少部分地涂有氧化物层，或者选自其中至少两种的组合。包含该材料的起始表面尚未呈现尺寸在亚微米范围内的结构，并且可用于激光照射且将在其上制造表面结构，所述起始表面通过脉冲激光束完全扫描一次或多于一次，使得激光束的相邻光点在没有间隙或重叠的情况下相遇，从而保持以下条件：

大约0.07≤ε≤大约3000

其中：

pp：输出激光辐射的最大脉冲输出[kw]

pm：输出激光辐射的平均脉冲输出[w]

t：激光脉冲的脉冲长度[ns]，其中t为约0.1ns至约4000ns，

f：激光脉冲的重复率[khz]

v：工件表面处的扫描速度[mm/s]

d：激光束在工件上的直径[μm]

α：在正常条件下照射材料的激光辐射吸收[％]

λ：激光辐射的波长[nm]，其中λ＝约100nm至11000nm

tl：常压下材料的熔化温度[k]

cp：正常条件下的比热容[j/kgk]

κ：正常条件下的比热导率[w/mk]，

其中进行该过程的气氛是真空或相对于表面是惰性的气体或气体混合物，附加条件是在用激光束扫描之前或之后都不施加粘合剂。

技术实现要素：

鉴于这种情况，本发明的一个目的是提供一种具有改进的清洁性能的家用器具及该家用器具的制造方法。

根据本发明，该目的通过具有独立权利要求的特征的家用器具及用于制造家用器具的方法来实现。在各从属权利要求中详细描述了本发明的优选实施例。家用器具的优选实施例对应于所述方法的优选实施方案，即使它们在本文中未详细提及。

因此，本发明涉及一种家用器具，其具有设置在基础材料上的至少一个自洁表面，其中，所述自洁表面包括多个双微米尺度结构，其中，双微米尺度结构由两个单微米尺度结构形成，其中，一个单微米尺度结构具有第一几何结构，一个单微米尺度结构具有第二几何结构，其中，具有第二几何结构的单微米尺度结构位于具有第一几何结构的单微米尺度结构的顶部上，其中，第一几何结构是微柱几何结构，第二几何结构是微腔几何结构。

根据本发明，双微米尺度结构应理解为由几何结构不同的两个单微米尺度结构形成的结构实体，其中，具有第一几何结构的单微米尺度结构构建基部，具有第二几何结构的单微米尺度结构构建上部。优选地，具有第二几何结构的单微米尺度结构是熔体的重铸体。根据本发明，第一几何结构是微柱几何结构，第二几何结构是微腔几何结构。

在一优选实施例中，双微米尺度结构由微通道分隔开。微通道的形状不受限制，因为它们可以是开放的和/或至少部分地封闭的。但是，优选地微通道是封闭的微通道。

有利地，封闭的微通道可以保持被捕获在内的少量空气充当微型枕头。该微型枕头可用于附加地减少水或含水流体的液滴与自洁表面之间的接触面积。

如果双微米尺度结构由微通道分隔开，则这些微通道的宽度优选为5μm至25μm。更优选地，微通道的宽度为10μm至15μm。

优选地，微通道也可形成连续的通道网络。

根据本发明，双微米尺度结构由两个单微米尺度结构形成，其中，一个单微米尺度结构具有第一几何结构，一个单微米尺度结构具有第二几何结构，其中，具有第二几何结构的单微米尺度结构位于具有第一几何结构的单微米尺度结构的顶部上。

形成双微米尺度结构的两个单微米尺度结构的尺寸受到下述限制，两个单尺度结构的结构尺寸以及双微米尺度结构的尺寸在微米范围内。

然而，在一优选实施例中，具有第一几何结构的单微米尺度结构的高度h1大于具有第二几何结构的单微米尺度结构的高度h2。优选地，h1和h2之比为3:2，更优选地为4:1，甚至更优选地为5:1。

表述“微柱”不应被理解为限制性的，而是可以与例如微柱状物、微堆叠、微支架、微支柱等词语互换使用。它简单地描述了从表面延伸的实体。但是，在下文中，将使用“微柱”一词。

微柱的形状不受限制。它可以是矩形的、圆形的、或者甚至可以增加、减小或改变其直径，例如像圆锥形那样。

优选地，微柱的高度为1μm至25μm，宽度为1μm至25μm，但是更优选地，高度为3μm至5μm，宽度为5μm至15μm。

表述“微腔”也不应以限制性方式理解，它包括提供开放或封闭的空腔的所有结构，例如微孔、微框架或微空隙等。但是，在下文中将使用“微腔”一词。

微腔的形状不受限制。它可以是圆形、矩形或甚至可以呈现复杂的不均匀形状。

根据本发明，微腔位于微柱的顶部上。优选地，微柱的高度在此为微腔高度的3至5倍，甚至更优选地是4倍。更优选地，微柱和微腔的宽度基本相等。

水或含水流体的液滴与表面之间的接触面积与液滴的静态接触角有关。静态接触角度是表面疏水性的度量。静态接触角<95°表示亲水性表面，接触角>95°表示疏水性表面。静态接触角为160°至180°是指与荷叶相当的超疏水表面。

在本发明的一优选实施例中，所述至少一个自洁表面具有160°至180°的静水接触角。优选地，水或含水液体的液滴的接触面积将在3％和0.5％之间。

令人惊讶地发现，在连续施加水滴的情况下，本发明的自洁表面不会被润湿，并且当液滴在表面上达到临界体积时，液滴表现出高度的滚动效果。更重要的是，发现水滴在撞击表面后聚结形成更大的液滴。在本发明的自洁表面上观察到的这种所谓的倾泻聚结效应被充分利用，使得聚结的水滴在相邻的颗粒、例如污垢颗粒之间形成液体桥，并转变成移动远离表面的簇，从而去除颗粒。

其上设有所述至少一个自洁表面的基础材料不受限制。所述基础材料当然与家用器具和自洁表面的位置有关。

然而，在一优选实施例中，所述至少一个自洁表面设置在下述基础材料上，所述基础材料选自金属和金属合金组成的组。更优选地，所述至少一个自洁表面设置在铝或铝合金上。甚至更优选地，至少一个自洁表面设置在铝上。

在另一优选实施例中，所述至少一个自洁表面设置在下述基础材料上，所述基础材料选自玻璃、陶瓷、聚合物及其组合组成的组。更优选地，所述至少一个自洁表面设置在下述基础材料上，所述基础材料选自陶瓷、聚合物及其组合组成的组。甚至更优选地，所述至少一个自洁表面设置在聚合物上。

此外，基础材料的形状和尺寸不受限制。优选地，基础材料是箔。这种箔可以例如通过胶合或熔融粘合施加至家用器具中的相关部件。另外，这种箔可直接放置在注塑模具中，由此可直接用于制造家用器具的部件。

根据本发明，家用器具不受限制。

然而，在一优选实施例中，本发明的家用器具用于储存、处理和/或制备食物。表述“储存”特别是指将食物储存在保护性环境中以防止或减缓变质过程。这种保护性环境可例如包括冷却或冷冻。表述“处理”特别是指切割、挤压、搅拌或揉合食物、如蔬菜、水果、奶油或面团。表述“制备”特别是指食物的烹饪、烘焙、微波、提取或发酵。

在家用器具用于储存、处理和/或制备食物的情况下，所述家用器具优选地选自由冰箱、冷冻机、咖啡机、烤箱、微波炉、蒸锅、食物处理机和榨汁机组成的组。

在一优选实施例中，家用器具是载水家用器具。通常，载水家用器具是在其操作期间使用水的家用器具。待清洁的物品尤其可以是餐具或衣物。根据本发明，清洁也应理解为清新。因此，载水家用器具也可以是干燥器。

优选地，如果本发明的家用器具是载水家用器具，则家用器具选自洗碗机、洗衣机、洗涤干燥机和干燥机。更优选地，载水家用器具是洗碗机。

其它创造性的家用器具可以是锅炉、蒸汽熨斗、空气加湿器、空调、用于清洁和维护地板的装置、真空吸尘器或厨房罩。

在本发明的家用器具中，原则上任何表面都可以是自洁表面。该表面可以是内部的或外部的。

在一优选实施例中，自洁表面是外表面。外表面可以是旋钮、把手、把手杆、控制器或开关的表面，所述控制器或开关例如是灯开关、扶手、滑块、控制拨盘、滑动控制或触敏(传感器有效的)。

外表面也可以是秤或天平的表面。

有利地，外表面也可以是水槽或炉盘的表面。

在另一优选实施例中，自洁表面是家用器具中的容器和/或操作构件的内壁。

容器可以是例如位于例如是冰箱或冷冻机的制冷装置的内部空间中或者位于烤箱或微波炉的内部空间中的用于待处理、储存和/或制备的物品的接收容器。接收容器也可以是处理食物的食物处理器的容器。然而，这种接收容器也可以是洗衣机或洗涤烘干机中的滚筒或洗碗机的内部，其中放入待清洁的物品。

容器也可以是贮存器或分配器。示例包括用于在洗衣机中储存灰水的贮存器和用于洗涤剂的分配托盘。示例还包括咖啡机的牛奶贮存器，所述牛奶贮存器可以更容易地清洁，因为残留物不太可能污染壁。

容器也可以是用于临时储存垃圾、废物或变质食物的容器。在这种情况下，自洁表面还用于改善卫生，因为污染物不太可能保持粘附在容器表面上。

操作构件可以是例如冷凝器或滤网。如果本发明的家用器具是洗涤干燥机，则可改善且更容易地执行在干燥操作期间积聚在冷凝器或滤网上的绒毛的去除。

本发明还涉及一种制造家用器具的方法，所述家用器具具有设置在基础材料上的至少一个自洁表面，其中，所述自洁表面包括多个双微米尺度结构，其中，双微米尺度结构由两个单微米尺度结构形成，其中，一个单微米尺度结构具有第一几何结构，一个单微米尺度结构具有第二几何结构，其中，具有第二几何结构的单微米尺度结构位于具有第一几何结构的单微米尺度结构的顶部上，其中，第一几何结构是微柱几何结构，第二几何结构是微腔几何结构，其中，双微米尺度结构是以激光烧蚀工艺制造。

在激光烧蚀过程中，通常施加高能束。这种高能激光束的施加通常以脉冲模式进行，其中，脉冲具有一定的持续时间，通常是超短的，并且以一定的脉冲重复率施加激光脉冲。

激光烧蚀过程中的高能激光脉冲的持续时间和重复率不受限制。然而，在一优选实施例中，通过以50khz至200khz的脉冲重复率施加纳秒持续时间的脉冲来执行多个双微米尺度结构的制造。

在激光烧蚀过程中，为了实现烧蚀，激光功率必须高到足以超过所处理材料的烧蚀阈值。因此，激光本身和所施加的激光功率仅受到下述限制，在处理的基础材料上可实现使用纳秒持续时间的激光脉冲的激光烧蚀。

在激光烧蚀过程中形成的微米尺度结构的尺寸和类型可与激光的光斑尺寸和光束位移有关。这些参数仅受到下述限制，可以以激光烧蚀工艺制造多个双微米尺度结构，其中，双微米尺度结构由两个单微米尺度结构形成，其中，一个单微米尺度结构具有第一几何结构，一个单微米尺度结构具有第二几何结构，其中，具有第二几何结构的单微米尺度结构位于具有第一几何结构的单微米尺度结构的顶部上，其中，第一几何结构是微柱几何结构，第二几何结构是微腔几何结构。

然而，在一优选实施例中，激光器是在300mw至1000mw的功率下操作并且具有5μm至50μm的光束位移的uv激光器。

通常，为了使用激光烧蚀工艺在表面上制造多个双微米尺度结构，激光束可以在待处理的表面上移动或该表面可移动。此外，激光束和表面也可以相对于彼此移动。

在本发明的一优选实施例中，通过以40mm/s至200mm/s的速度沿x-y方向移动表面来执行所述多个双微米尺度结构的制造。因此，其上将设置自洁表面的基础材料可放置在x-y平移台上。优选地，x-y平移台也能够在z方向上倾斜和移动。

在另一优选实施例中，激光器是在300mw至1000mw的功率下操作并且具有5μm至50μm的光束位移的uv激光器。在激光烧蚀过程中，将100μm厚的铝箔放置在xy平移台上，并且箔的表面以50khz至200khz的脉冲重复率经受纳秒持续时间的脉冲，同时铝箔在沿x和y方向移动的速度为40mm/s至200mm/s。

优选地，激光烧蚀工艺仅以单个步骤执行。表述“单个步骤”是指同时制造多个双微米尺度结构，其中，双微米尺度结构由两个单微米尺度结构形成，其中，一个单微米尺度结构具有第一几何结构，一个单微米尺度结构具有第二几何结构，其中，具有第二几何结构的单微米尺度结构位于具有第一几何结构的单微米尺度结构的顶部上，其中，第一几何结构是微柱几何结构，第二几何结构是微腔几何结构。根据本发明，这可通过在激光烧蚀过程期间熔化特定体积的材料来实现。然后熔体的重铸体可堆积在具有第一几何结构的单微米尺度结构上，以形成具有第二几何结构的单微米尺度结构。

优选地，激光烧蚀过程是一个直接的过程。表述“直接”特别是指在激光烧蚀过程之前没有涂层等施加到基础材料的表面上的事实。因此，基础材料的表面直接受到高能激光脉冲的作用。然而，有利地，在激光烧结过程之前和之后用有机溶剂清洁材料的表面。优选地，所述有机溶剂是丙酮。

本发明的一个特别的优点是本发明的家用器具的清洁可以是可避免的，或者至少可以不那么频繁地进行并且以较低的冲击力进行。自洁效果也是持久的，因为它是由基础材料的表面结构的永久性改变引起的。此外，制造过程是绿色环保的。与其它激光烧蚀技术相比，它是经济的，可以很容易地用于工业自动化工艺链。可用于制造的基础材料的范围很广，双微米尺度结构可仅以单个步骤制造并具有高精度和可重复性。

附图说明

下面将参照图1-4描述本发明。图1示出了根据本发明的一实施例的在表面上制造的多个双微米尺度结构。图2示出了适于执行根据本发明的一实施例的激光烧蚀过程的激光烧蚀工作站。图3和4示出了根据本发明的两个实施例的家用器具。可以想到其它的实施例。

具体实施方式

图1描绘了sem(扫描电子显微镜)图像1，其显示了以激光烧蚀工艺在表面上制造的多个微结构。在图1中，可以观察到在微柱的顶部上形成微腔2，从而形成双微米尺度结构3。微腔2通过微柱的顶部上的熔体重铸形成。在微腔2内仍然可以看到微柱的一部分。双微米尺度结构3进一步由10μm至15μm宽的微通道4分隔开。

图2描绘了适于执行根据本发明的激光烧蚀工艺的激光烧蚀工作站39的示意图。通过一系列光学元件的纳秒uv激光源5使光束被引导到材料表面16。激光束从激光源5被引导到声光调制器6以选取所需频率。然后通过镜子7至10折叠激光束以将光束馈送到扩束器11中。然后激光束通过衰减器12以选择所需的功率。然后使用平移镜13使激光束在10μm至30μm范围内聚焦到定影光学器件14或加尔沃扫描器15中。

将材料放置在x-y平移台17上，所述x-y平移台能够执行沿x-y和z方向的运动以及倾斜和旋转。

图3描绘了作为根据本发明的家用器具的一实施例的冰箱18的外部的示意图。冰箱18的壳体19被示为具有把手20，以打开冰箱18的门。把手20设有自洁表面。通过这种方式，如果使用者触摸把手20，在其上留下污垢颗粒，则可通过用含水流体或仅用水漂洗把手20来容易地清洁把手20。

图4描绘了作为根据本发明的家用器具的一实施例的洗衣机21的相关部分的示意图。图4中的洗衣机21包括碱液容器22。滚筒23可旋转地安装在碱液容器22内。滚筒23可由驱动电机34操作。出于人体工程学原因，滚筒23的旋转轴线24与水平面成小角度。衣物搅拌器25和舀取装置26布置在滚筒23内。洗衣机21还设有供水系统，所述供水系统包括家庭供水装置29、阀30和经由洗涤剂分配托盘32连接到碱液容器22的进料管31，所述洗涤剂分配托盘32用于将洗涤剂供应到滚筒23。分配托盘32的内表面是包括多个根据本发明的双微米尺度结构的自洁表面33。因此，如果使用固体洗涤剂或包含固体颗粒的洗涤剂，则可防止固体残留物污染分配托盘32的内表面。由此，理想情况下不需要清洁分配托盘32。

还设有用于碱液容器22内的液体27的泵35。储水器36能够储存用于漂洗衣物28的灰水。因此，储水器36还设有用于漂洗水38的进料管。储水器36的内表面是根据本发明的包括多个双微米尺度结构的自洁表面37。灰水通常包含固体颗粒，所述固体颗粒例如源自从衣物28中除去的污垢。在为储水器36提供自洁表面37时，可防止这种污垢颗粒粘附至储水器36的内表面，并且可以在长时间使用中保持储水器36的清洁度。

附图标记列表

1显示微柱顶部上的微腔sem图像

2微腔

3双微米尺度结构，微柱的在微腔内可见的部分

4微通道

5纳秒激光源(uv)

6声光调制器

7-10镜子

11扩束器

12衰减器

13平移镜

14定影光学器件

15加尔沃扫描器

16材料表面

17x-y平移台

18家用器具、冰箱

19壳体

20外表面，具有自洁表面的把手

21载水家用器具，洗衣机

22碱液容器

23衣物滚筒

24滚筒的旋转轴线

25衣物搅拌器

26舀取装置

27液体

28衣物

29家庭供水装置

30阀

31进料管

32洗涤剂分配托盘

33自洁表面

34驱动电机

35泵

36储水器

37自洁表面

38用于漂洗水的进料管

39激光烧蚀工艺，用于激光烧蚀工艺的工作站