[发明专利]具有微结构化表面的织物和包括该织物的服装

说明书

本发明涉及织物制品和衣服，例如户外服装、室内服装以及暴露于水和油的接触混合物的商业防护穿戴物、暴露于水和空气的混合物的泳装和冬季穿戴物。这些织物制品中的至少部分具有提供有以下至少一者的表面：1)高表面积，2)分级图案，3)接触角，使得接触混合物的亲水部分具有高接触角并且接触混合物的疏水部分具有低接触角，以及4)大于5度的滞后角。本发明的疏水/亲水性接触混合物可以是水和/或冰与油和/或空气结合存在的表面。本发明的织物制品在具有疏水/亲水性接触混合物的表面上防滑。

相关申请

本申请要求于2015年10月5日提交的美国临时申请no. 62/237,460的利益，其内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开提供了织物制品和衣服，例如户外服装、室内服装、医用防护穿戴物、暴露于水和油的接触混合物的商业防护穿戴物、暴露于水和空气的混合物的泳装和冬季穿戴物。这些织物制品中的至少一部分具有微结构化表面，所述表面提供有以下至少一者：1)高表面积，2)分级图案，3)接触角，使得接触混合物的亲水部分具有高接触角并且接触混合物的疏水部分具有低接触角，以及4)大于5度的滞后角。

背景

虽然本部分主要致力于已确立的观察和理论，但本部分中包含的一些材料在解释或认识到的应用方面可能是新的，尽管基础理论是已知的。因此，我们不认为在本部分中公开的构思构成现有技术，并且现有技术的变体状态之间产生的一些联系可以构成发明。

Cassie-Baxter模型描述了气体环境中固体纹理化表面与水的相互作用。在这个模型中，空气被捕集在纹理化表面的微槽中，水滴停留在包括空气和微凸起顶部的复合表面上。在多重纹理尺度(scale)之间的分形维数(fractal dimension)的重要性得到了充分的认识，并且许多方法都基于分形贡献，即不同尺度纹理之间的维数关系。然而，无论使用的材料(有机或无机)和表面纹理的几何结构(颗粒、棒阵列或孔)如何，都需要多重纹理尺度结合低表面能来获得所谓的超疏水性表面。

超疏水性被多处地报道为材料表现出与水的接触角大于平滑但强疏水性材料可获得的接触角。疏水性表面排斥水。例如，可以通过确定表面上的水滴的接触角来测量表面的疏水性。接触角可以在静态或动态下测量。动态接触角测量可以包括确定相对于诸如水滴的附着物质的前进接触角或后退接触角。在前进和后退接触角之间具有小差异(即，低接触角滞后)的疏水性表面导致对平面内平移具有低抗性的表面(低附着性)。水穿过具有低接触角滞后的表面可以比穿过具有高接触角滞后的表面更容易，因此接触角滞后的大小可以等同于移动物质所需的能量的量。

对于表面纹理研究的来自自然的经典动机是荷叶，由于具有凸起细胞乳头和随机取向的疏水蜡小管的分级结构，荷叶具有超疏水性，其具有与水的高接触角和低接触角滞后，并显示强的自清洁性质。

较少了解的来自自然的动机是红玫瑰花瓣，具有被周向设置和轴向定向的脊装饰的凸起细胞乳头的分级结构，其具有中等的接触角和高的角度接触差异。接触角是直接与纹理化表面接触的水量的量度，而接触角滞后是水可在表面上流动的程度的量度。

这些状态中每一种的进化动机都非常明显。在荷叶和通常的植物叶片的情况下，与水的接触最少和水的高流动性导致水优先附着于颗粒污染物，污染物随着水的流失从叶片清除。这有助于减少表面污染物对光的吸收量，并提高光合效率。在玫瑰花瓣和通常的植物花瓣的情况下，大多数传粉者被吸引到高张力水源，高张力水源容易获取而不淹没昆虫。因此，在进化刺激是植物繁殖的情况下，高接触角与高接触角滞后配对是优选的，并且在进化刺激是代谢和生长的情况下，高接触角与低接触角滞后配对是优选的。

暂时考虑单一的纹理尺度，当水被放置在纹理化表面上时，它可以处于纹理的峰上或者吸入谷中。前者称为Cassie状态，后者称为Wenzel状态。当Wenzel状态占优势时，接触角和接触角滞后都随表面粗糙度增加而增加。然而，当粗糙度系数超过临界水平时，接触角继续增加，而滞后开始下降。此时，由于在表面和水滴之间的界面处疏水组分(在这种情况下为空气)的量增加，主要润湿行为改变。