DE102015013398B4

DE102015013398B4 - Optisches Element mit Antibeschlags-Eigenschaften

Info

Publication number: DE102015013398B4
Application number: DE102015013398.5A
Authority: DE
Inventors: Catharina WENZEK; Jürgen Unger; Thomas Wuske; Tobias Seidl
Original assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Current assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Priority date: 2015-10-19
Filing date: 2015-10-19
Publication date: 2020-08-06
Anticipated expiration: 2035-10-20
Also published as: DE102015013398A1; US10330926B2; US20170108694A1

Abstract

Optisches Element, das eine Maskenscheibe einer persönlichen Schutzausrüstung ist, mit hydrophiler, beschlagfreier Oberfläche, wobei die Oberfläche eine Wabenstruktur (1) mit mehreren Waben (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Waben (2) eine Innenbreite I von 5 bis 20 µm aufweisen, dass die Waben (2) eine Tiefe T von 1 bis 10 µm aufweisen und dass in der Wabenstruktur (1) mindestens eine Kapillare (6) ausgebildet ist, wobei die mindestens eine Kapillare (6) in einem wasseraufnehmenden Bereich des optischen Elements endet und wobei die mindestens eine Kapillare (6) nebeneinander liegende Waben (2) miteinander verbindet.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Element mit beschlagfreier Oberfläche gemäß Anspruch 1.
Das Beschlagen von Oberflächen, insbesondere optischer Elemente, verursacht durch Kondensationseffekte und ausfallende Feuchtigkeit, ist in vielerlei Hinsicht problematisch. Nicht nur im Freizeitbereich, beispielsweise beim Sport oder im Verkehr, sondern auch besonders bei Produkten der Sicherheitstechnik ist es wichtig, dass die Funktionsfähigkeit der Bauteile stets gewährleistet ist. Bei Gegenständen der persönlichen Schutzausrüstung kann zum Beispiel die Sehfähigkeit durch beschlagene Maskenscheiben, Brillen und Scheiben von Schutzanzügen durch Kondensation stark eingeschränkt werden. Folge einer eingeschränkten Sicht könnte es sein, dass Rettungseinsätze abgebrochen werden müssten oder eine schnelle Flucht aus einer lebensgefährlichen Umgebung behindert wird.
Es wurden bereits verschiedene Ansätze verfolgt um ein Beschlagen einer Oberfläche zu vermindern. Dabei sind mechanische Verfahren, wie das Beheizen der Scheiben oder der Einbau eines Scheibenwischers im Innenbereich von Masken nicht nur technisch aufwendig herzustellen, sondern auch störungsanfällig. Zudem muss eine konstante Stromversorgung garantiert werden, damit die Wirkung gewahrt wird.
Weiterhin sind Verfahren beschrieben, in denen hydrophile oder hydrophobe Oberflächeneigenschaften ausgenutzt werden. Bei Mehrschichtsystemen wie in DE 10 2006 008 784 A1 und EP 0 871 046 A1 gezeigt, wird eine untere hydrophile, wasserspeichernde Schicht mit einer weiteren meist hydrophoben Schicht überdeckt, die Löcher oder eine poröse Struktur aufweist. Durch die Hohlräume kann Feuchtigkeit zur wasserspeichernden Schicht gelangen und ein Antibeschlagseffekt wird erzielt.
Allerdings müssen hierfür mehrere Schichten aufwendig hergestellt und die Poren beziehungsweise Löcher gezielt in die Oberflächenbeschichtung eingebracht werden. Ist die maximale Kapazität der wasserspeichernden Schicht erreicht, kommt es dennoch zu einem Beschlagen der Oberfläche, somit ist die Funktion der Bauteile nur in begrenzten Anwendungsbereichen gewährleistet.
Eine weitere Methode zur Beschlagverminderung ist die Beschichtung oder die gezielte Produktion einer Oberfläche mit hydrophilem Charakter, basierend auf den chemischen Eigenschaften bestimmter Substanzen. Die Polykondensation von Polyacrylsäureverbindungen mit anorganischen Alkoxiden als nicht beschlagender Antireflexfilm ist in DE 696 26 266 T2 beschrieben. Ein weiteres Beispiel einer hydrophilen Beschichtung ist in EP 1 324 078 A2 offenbart. Hierbei wird eine hydrophile Oberfläche mittels Aufdampfung, von organischen Substanzen mit hydrophilen Gruppen zusammen mit anorganischen Oxiden erzeugt.
Nachteilig bei der Verwendung einer hydrophilen Oberfläche als Antibeschlagsmittel ist, das auch in diesem Fall die Kapazität der wasserspeichernden Schicht, welche einen dünnen transparenten Fluidfilm ausbilden soll, begrenzt ist. Auch ist es wichtig, dass die Oberflächenbeschichtung gleichmäßig und durchgehend ausgebildet ist. Dieses bedingt ein sehr genaues Herstellungsverfahren. Zusätzlich sind diese meist sehr dünnen Schichten nicht stabil genug ausgebildet, so dass diese bei mechanischer Beanspruchung, beispielsweise bei einer Reinigung der Bauteile, abgenutzt werden und ihre Wirkung verlieren.
US 2015/0196940 A1 beschreibt ein optisches Element mit beschlagfreier Oberfläche, die eine Schmierschicht auf einer entsprechenden Struktur des Elements aufweist.
US 2007/0166513 A1 und US 2009/0317590 A1 beschreiben jeweils eine strukturierte Oberfläche mit stark hydrophoben Bereichen, die auch eine teilweise beschlagfreie Oberfläche bilden.
Jiaming Ye et al. („Superhydrophilicity of anodic aluminum oxide films: From „honeycomb" to „bird's nest""; Thin Solid Films 517, 2009, S.6012ff) beschreibt eine wabenförmige Struktur, die durch Oxidation auf einer Aluminium-Oberfläche entstanden ist.
Pao-Hsiang Tung et al. („Formation of Honeycomb Structures and Superhydrophobic Surfaces by Casting a Block Copolymer from Selective Solvent Mixtures“; Macromol. Rapid Communication, 2007, 28, S.271ff) beschreibt künstlich hergestellte wabenförmige Oberflächenstrukturen mit Wabenwänden, die eine Dicke zwischen 40 und 50 nm aufweisen. Hierbei hat die Konzentration der für die Herstellung verwendeten Lösung einen Einfluss auf die Dicke der Wabenwände.
Aufgabe der Erfindung ist es, Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein optisches Element bereitzustellen, das ein Beschlagen und damit eine Beeinträchtigung der Sicht verhindert. Diese Wirkung soll langfristig und auch bei rauen Bedingungen, wie mehrfachen Reinigungs- und Desinfektionszyklen, gewährleistet sein. Weiterhin sollte dieses Bauteil kostengünstig und einfach herstellbar sein.
Hauptmerkmale der Erfindung sind im kennzeichnenden Teil des Anspruch 1 angegeben. Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 7.
Bei einem Bauteil, das als optisches Element ausgebildet ist, mit einer beschlagfreien Oberfläche, sieht die Erfindung vor, dass die Oberfläche eine Wabenstruktur mit mehreren Waben aufweist.
Durch die Strukturierung der Oberfläche wird eine ausgezeichnete hydrophile Oberflächeneigenschaft erzielt. Kondensiert auf dieser Struktur Feuchtigkeit, schlagen sich Tröpfchen in den Waben nieder. Die Waben sind dabei derart ausgebildet, dass Adhäsionskräfte zwischen den Wabenwänden und den Tropfen größer sind als Kohäsionskräfte innerhalb der Tröpfchen. Dadurch wird ein gleichmäßiger dünner Fluidfilm auf der Oberfläche ausgebildet. Dabei ist ein Kontaktwinkel der Tropfen auf der erfindungsgemäß strukturierten Oberfläche kleiner als einer auf einer nicht strukturierten Fläche. Der durchgängige, dünne Wasserfilm teilt sich nicht erneut in einzelne Tropfen, welches die Transparenz der Oberfläche des Bauteils negativ beeinflussen würde.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Waben mehreckig ausgebildet, insbesondere viereckig, sechseckig, achteckig. Aber auch andere geometrische Formen wie dreieckig, fünfeckig, siebeneckig bis hin zu rund sind möglich. Dabei werden Formen mit konstanter Seitenlänge präferiert, die zu symmetrischen Waben führen.
Die geometrische Form beeinflusst die Adhäsionskräfte zwischen den Tropfen und den Wabenwänden. Abhängig von den benötigten Filmeigenschaften werden eine oder mehrere passende Formen und Größe zur Strukturierung ausgewählt.
Damit sich der Flüssigkeitsfilm gleichmäßig über die gesamte Oberfläche des Bauteils erstreckt, wird bevorzugt vorgesehen, dass die Waben gleichmäßig über die gesamte Oberfläche des Bauteils, welches als optisches Element genutzt werden kann, angeordnet sind.
Die beschlagfreie Oberfläche weist in einer einfachen Ausgestaltung einen Kunststoff auf, in den die Wabenstruktur eingeformt wird.
In einer alternativen Ausgestaltung wird die Oberfläche des optischen Elements als mehrschichtiges Verbundsystem ausgebildet, wobei die oberste Schicht als Wabenstruktur aufgebracht wird oder die Wabenstruktur in die oberste Schicht eingebracht wird.
Zusätzlich kann die Oberfläche auch aus anderen Materialien, wie beispielsweise Glas, bestehen.
In einer bevorzugten Variante wird die ausgezeichnete hydrophile Eigenschaft der Wabenstrukturierung durch die Verwendung hydrophiler Materialien als Oberfläche gesteigert. Eine verstärkte Hydrophilie der Oberfläche kann bei extremen Bedingungen, wie hohen Temperaturen, die Ausbildung und Erhaltung eines gleichmäßigen Fluidfilms unterstützen.
Erfindungsgemäß weist eine Wabe eine Innenbreite von 5 bis 20 µm auf. Weiterhin weist die Wabe eine Tiefe von 1 bis 10 µm auf. Werden die Waben zu breit gewählt, schlagen sich innerhalb der Waben einzelne Flüssigkeitströpfchen nieder, wodurch die Antibeschlagswirkung beeinträchtigt wird. Gleiches gilt bei zu flach ausgebildeten Waben. Bei zu kleinen und zu tiefen Waben wird von den Waben zu viel Wasser aufgesaugt, ähnlich einem Kapillareffekt, wodurch ebenfalls die Sicht beeinträchtigt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Wabenstruktur, werden die Waben voneinander durch Stege getrennt. Diese Stege weisen eine bevorzugte Breite von 0,5 bis 5 µm, insbesondere eine Breite von 1 bis 3 µm auf. Diese Form gewährleistet einen möglichst gleichmäßigen Fluidfilm auf der Oberfläche des Bauteils und eine optimale Durchsicht durch das optische Element. Auch kann in dieser Ausgestaltung keine zusätzliche Flüssigkeit auf den Stegen auskondensieren, welches wiederrum zu einem Beschlagen führen würde.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in der Wabenstruktur mindestens eine Kapillare ausgebildet ist. Die mindestens eine Kapillare verbindet nebeneinander liegende Waben miteinander. Die Kapillare ermöglicht eine bestmögliche Anti-Beschlags-Wirkung auch bei horizontaler Gebrauchslage des optischen Elements. Bei senkrechter Gebrauchslage fließt zusätzlich kondensierende Flüssigkeit, welche aufkondensiert, nachdem ein gleichmäßiger dünner Film ausgebildet wurde, aufgrund der Schwerkraftwirkung einfach von der Oberfläche ab. Bei horizontaler Gebrauchslage dient die Kapillare zum Abtransport überschüssiger Flüssigkeit. Hierfür ist die mindestens eine Kapillare in den Stegen der Waben ausgebildet. Es ist zu bevorzugen, die Kapillare durch vertiefte Stege auszubilden.
In einer wichtigen Weiterbildung ist die Kapillare zwischen den Waben in Form eines geschlossenen Kanals angeordnet.
Erfindungsgemäß endet die mindestens eine Kapillare in einem wasseraufnehmenden Bereich. Dieses verhindert, dass Flüssigkeit an den Kanten unkontrolliert herabtropft. Bei Produkten der Sicherheitstechnik würde ein unkontrolliertes Abscheiden von Flüssigkeit zu feuchten Stellen führen, welches nicht nur das Wohlbefinden des Trägers negativ beeinflusst, sondern auch zu reibungsbedingten Druckstellen und Schürfwunden führt.
Die Abmessungen der wasserführenden Kapillare sind abhängig von der abzuführenden Menge und der Transportgeschwindigkeit, mit der das Wasser abgeführt werden soll. Insgesamt sind die Abmessungen von Oberflächenstrukturen bei optischen Bauteilen durch die Grenzen der visuellen Wahrnehmung des menschlichen Auges vorgegeben.
Erfindungsgemäß ist das optische Element, eine Maskenscheibe einer persönlichen Schutzausrüstung. Dabei kann vorgesehen sein, dass nur die Innenseite oder nur die Außenseite oder beide Seiten des optischen Elements die erfindungsgemäße beschlagfreie Oberfläche aufweisen.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus den folgenden Beschreibungen von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen.
Es zeigen:

1 eine Detailansicht einer erfindungsgemäßen Wabenstruktur;
2 eine Ausführungsform einer Wabenstruktur mit Kapillare;
3 eine weitere Ausführungsform einer Wabenstruktur mit Kapillare;
4 eine weitere Ausführungsform einer Wabenstruktur mit Kapillare.

1 zeigt eine Detailansicht einer nicht-erfindungsgemäßen Wabenstruktur, welche allgemein mit 1 bezeichnet wird.
Die Wabenstruktur 1 verfügt über mehrere Waben 2, die über Stege 3 voneinander getrennt sind. In 1 sind sechseckige Vertiefungen 4, die als Waben 2 bezeichnet werden, gezeigt. Die möglichen Ausführungsformen der Waben beschränken sich aber nicht darauf. Vielmehr können die Waben 2 mehreckig sein, insbesondere viereckig, sechseckig oder achteckig. Auch eine runde Form der Waben als Ausführungsvariante ist möglich. Die Strukturen 1 können über verschiedene Herstellungsverfahren erzeugt werden. Möglich sind Prozesse, die mechanisch, chemisch, durch Wärme- oder konzentrierter Lichteinwirkung sowie mit generativen Verfahren arbeiten.
Die Waben 2 weisen eine Innenbreite I von 5 bis 20 µm auf. Die Tiefe T der Waben 2 wird durch die Höhe H der Stege bestimmt. Für die Tiefe T beziehungsweise die Höhe H sind Abmessungen von 1 bis 10 µm bevorzugt. Ein weiterer Eigenschaft-bestimmender Parameter ist die Breite B der Stege 3, die im Bereich von 0,5 bis 5 µm, insbesondere von 1 bis 3 µm liegt.
Kondensiert auf dieser Struktur 1 Feuchtigkeit aus, schlagen Flüssigkeitstropfen in den Waben 2 nieder. Dabei sind die Adhäsionskräfte zwischen den Wabenwänden 5, die durch die Stege 3 gebildet werden, und den Tropfen größer als die Kohäsionskräfte innerhalb der Tropfen. Der Kontaktwinkel von Wasser auf einer in der erfindungsgemäßen Form strukturierten Oberfläche 1 ist kleiner, als auf einer nicht strukturierten Oberfläche. Auf diese Weise bildet sich auf der Struktur 1 ein durchgängiger dünner Wasserfilm, der sich nicht erneut in einzelne Tropfen aufteilt, was die Transparenz negativ beeinflussen würde.
Wird die strukturierte Oberfläche 1 in senkrechter Gebrauchslage verwendet fließt weiterhin auskondensierende Flüssigkeit aufgrund der Schwerkraftwirkung von der Oberfläche ab.
Für eine hauptsächlich horizontale Gebrauchslage ist eine Ausführungsform mit mindestens einer Kapillare 6 vorteilhaft. In 2 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform mit Kapillare 6 gezeigt, die durch vertieft eingebrachte Stege 7 ausgebildet wird. Die Waben 2 werden hier über die Kapillare 6 miteinander verbunden.
Es ist auch möglich, dass die Kapillare 6 durch die Stege 3 der Waben 2 ausgebildet werden, ohne dass diese abgesenkt sind. Dieses ist in 3 dargestellt. Die Kapillare 6 liegt in dieser Ausgestaltung zwischen zwei Bereichen mit Waben 2 und wird durch die äußeren Stege 3 begrenzt.
In 4 ist eine weitere Wabenstruktur 1 mit Kapillaren 6 abgebildet. Die Kapillaren 6 verlaufen gerade durch die Waben 2 und Stege 3. Ermöglicht wird diese Ausführungsvariante durch Aussparungen oder Absenkungen in den Stegen 3.
Die Kapillare 6 enden erfindungsgemäß in einem wasseraufnehmenden Bereich. Dieser fängt überschüssige Flüssigkeit auf, ohne dass es zu einem unkontrollierten Tropfen oder Durchnässen benachbarter Bauteile kommt. Dieser Wasseraufnahmebereich ist nicht in den Figuren gezeigt.
Bezugszeichenliste

1: Wabenstruktur
2: Waben
3: Stege
4: Vertiefungen
5: Wabenwände
6: Kapillare
I: Innenbreite der Waben 2
T: Tiefe der Waben 2
H: Höhe der Stege 3

Claims

Optisches Element, das eine Maskenscheibe einer persönlichen Schutzausrüstung ist, mit hydrophiler, beschlagfreier Oberfläche, wobei die Oberfläche eine Wabenstruktur (1) mit mehreren Waben (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Waben (2) eine Innenbreite I von 5 bis 20 µm aufweisen, dass die Waben (2) eine Tiefe T von 1 bis 10 µm aufweisen und dass in der Wabenstruktur (1) mindestens eine Kapillare (6) ausgebildet ist, wobei die mindestens eine Kapillare (6) in einem wasseraufnehmenden Bereich des optischen Elements endet und wobei die mindestens eine Kapillare (6) nebeneinander liegende Waben (2) miteinander verbindet.
Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Waben (2) mehreckig ausgebildet sind, insbesondere viereckig, sechseckig, achteckig.
Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Waben (2) rund ausgebildet sind.
Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Waben (2) voneinander durch Stege (3) getrennt sind, die eine Breite B von 0,5 bis 5 µm aufweisen.
Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillare (6) in den Stegen (3) der Waben (2) ausgebildet sind.
Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophile Eigenschaft der Wabenstrukturierung durch die Verwendung hydrophiler Materialien als Oberfläche gesteigert ist.