防氷用超撥水の金属表面の作製
Summary
金属表面の超撥水を生成して、耐久性と防氷のプロパティを探索するいくつかの手法を示します。
Abstract
超撥水の金属表面を生成するいくつかの方法は、この作品で掲載されています。アルミニウムは、金属産業における広い使用基材として選ばれました。落下の実験をバウンスさせることによって作り出された表面の濡れ性を分析し、地形は、共焦点顕微鏡を用いて解析しました。さらに、その耐久性と防氷の特性を測定するためのさまざまな方法論を示します。超撥水表面の撥を保つために維持する必要があります特別なテクスチャを保持します。耐久性のある表面を作製するには、抵抗力があるテクスチャを組み込むための戦略を追った最初の戦略酸エッチングによる金属基材の表面粗さの直接の混入であります。この表面のテクスチャ処理後シリル化またはフッ素樹脂の蒸着による表面エネルギーは減少しました。2 番目の戦略は、表面硬度と耐腐食性を強化する必要があります (後で表面テクスチャ) セリアの層の成長です。ステアリン酸フィルム表面エネルギーは減少しました。
粒子衝撃試験、外側の摩耗および耐紫外線オゾンによる機械的摩耗による超撥水表面の耐久性を調べた。防氷プロパティを凍結遅延、サブクール水を廃止し氷の接着能力を研究することによって検討しました。
Introduction
水をはじく超撥水 (SH) 面の能力は、彼らは伝統的にアイシング1,2を防ぐソリューションとして提案したという理由です。ただし、防氷剤 SH 表面の適合性について懸念があります: 1) 生産の高コスト、2) その多次元センサーデー常にもたらさない氷 phobicity3、および 3) SH の疑わしい耐久性面4.超撥水表面の地形と化学組成5に関連する 2 つのプロパティを保持する: 彼らは特定の地形の特徴とラフ表面エネルギーは (本質的に疎水性) が低い。
疎水性表面粗さは、実質固体液体領域と見かけの接触面積比を減らすのに役立ちます。水は完全にロータス効果6、7のための固体と接触してドロップかかっているか表面の凹凸の上に移動します。このシナリオでは、固液界面機能化学の 2 つのドメインを持つ不均一: 固体間自体固体表面や小さな気泡に閉じ込められた水の8。撥水性の度合いは、空気のパッチは滑らかであり、その固有の接触角は 180 ° から閉じ込められた空気の量に接続されます。いくつかの研究報告より撥水特性 (固液界面での空気の大きい存在)9を提供するために最適な戦略としてマイクロとナノ アスペリティ階層表面テクスチャの定款です。粗さ 2 つのレベルの機能を作成する低価格戦略は、いくつかの金属酸エッチング10,11です。この手順は、業界でよく使用されます。特定の酸の濃度とエッチング時の金属面は適切な階層的粗さを明らかに.一般に、表面あれの酸濃度、エッチング時間、または両方の12を変化させることにより最適化されています。金属の表面エネルギーが高く、このため、撥水加工の金属表面の作製が必要です後で hydrophobization。
Hydrophobization は一般的に異なる方法を用いた疎水性膜の作製によって達成される: シリル化10,13、ディップ コーティング14、スピン コーティング15、16またはプラズマ蒸着法17を噴霧.シリル化は、SH 表面の低耐久性を向上させるための最も有望な手段の一つとして提案された18をされています。その他の蒸着技術とは異なり、シリル化プロセスは、金属基材10の表面水酸基をもつ Si オハイオ州グループ間の共有結合に基づいています。シリル化プロセスの欠点は、高度なカバレッジと均一性の十分なヒドロキシル グループを作成する金属基板の前にアクティブ化が必要です。食材つきにくい超撥水表面に最近提案したもう一つの戦略は、希土類コーティング19,20使用です。セリア コーティングこの使用を正当化する 2 つのプロパティがあります: 彼らは本質的に疎水性21をすることができます、機械的にそして化学的に堅牢な。特に、保護コーティング材として選んだ彼らが最も重要な理由の 1 つは、腐食・防食能力20です。
長期的な件名標目等金属表面を生成する 2 つの問題がある: 表面のテクスチャを破損していない必要がありますと、疎水性の膜を基板にしっかり固定しなければなりません。表面は通常外側摩耗や粒子への影響4で発行された着用に公開されます。アスペリティ領域が破損している場合は、撥を大幅に減るかもしれない。極端な環境下で疎水性のコーティングは表面から部分的に削除可能性があります。 または化学的に紫外線暴露、湿度や腐食によって低下する可能性があります。耐久性のある SH 表面コーティングの設計は、コーティングと表面工学のための重要な課題です。
金属、最も要求の厳しい要件の 1 つは、図 1に示すように、防氷能力が 3 つの相互接続された側面22に基づいていること: サブクール撥水性、凍結遅延、低の氷結。屋外のアイシングは、サブクール水、通常雨が値下がりしました、固体表面と接触、急速に不均一核形成23によって固定されて。形成された氷 (樹氷) は、表面にしっかりと添付されます。したがって、アイシングを避けるために最初のステップは、固体水の接触時間を減らすことです。表面は超撥水、雨の滴が凍結する前に表面から追放可能性があります。さらに、湿気のある条件の下で高い接触角と表面遅延低接触角24ものよりも効率的に凍結が実証されています。これらの 2 つの理由から、SH 表面はアイシングを軽減するために最も適切なサーフェスです。しかし、超撥水表面の有効期間は着氷は通常積極的な25重要なポイントかもしれません。いくつかの研究は、SH 表面が氷付着26を減らすための最良の選択は結論付けています。一度表面の氷の形態、表面凹凸によりしっかりと接続されたまま。粗氷表面の接触面積が増加し、アスペリティ連動エージェント26として。氷表面の存在の痕跡がある場合は、アイシングを避けるために耐久性のある SH 表面の使用お勧めします。
この作品は、金属基板上に耐久性のある SH 表面を生成するいくつかのプロトコルを提案する.我々 は業界で広く使用されて、防氷プロパティの結合が特定のアプリケーション (スキー リゾート施設、航空、等) のために特に関連は基板としてアルミニウム (Al) を使用します。我々 は 3 つのタイプの表面を準備: コーティング、fluorosilane と Al 基板上のセリア ステアリン酸二分子膜テクスチャ Al 表面処理フッ素樹脂をコーティングした質感のアル。類似技術17,27,28,29は、100-300 nm の膜厚やも単分子膜を提供します。各表面の濡れ性を測定し、, 摩耗試験を実施.最後に、独立して、3 つのプロパティは、図 1に示すようにプローブを目指す 3 つのテストを使用して、防氷パフォーマンスを行った。
我々 のプロトコルは、図 2に示すスキームに基づいています。SH Al 表面が準備されると、彼らの濡れ性と地形は、撥水性の特性と粗さの機能を決定する分析されます。濡れ性は、水の引張接着強度に接続技術である降下実験をバウンスさせることによって分析されます。ドロップ バウンスの観察が必要である場合、この手法は超撥水表面13に適していますのみ。それぞれの表面処理の防氷テストを実施する少なくとも 4 つのサンプルと耐久性のテストを実行する別の 4 つのサンプルを作製しました。各耐久試験後の被害をぬれ特性と粗さの機能の損失を測定することにより調べた。似たような耐久性は、この作品のものが最近他金属表面27,30使用された提案をテストします。
防氷テストに関する本研究の目的は作り出された SH Al 表面の使用は、防氷剤として便利かどうかを決定するためです。したがって、分析した比較は、2 つのコントロールのサンプルのパフォーマンス:) 未処理アル サンプル (滑らかな親水性) と b) の hydrophobized がないテクスチャ サンプル (滑らかな疎水性)。同じ目的のために、テクスチャの使用がない hydrophobized 表面は、関心のあるかもしれない。残念ながら、この表面は非常に水和剤、それらの防氷テストを実行できません。
Protocol
Representative Results
Discussion
本稿ではアルミ基板上に撥水性の表面を生成するための戦略を紹介します。さらに、その濡れ性、粗さ、耐久性、防氷パフォーマンスを特徴付ける方法を示す.
SH 表面を準備するには、2 つの戦略を使用しました。最初の戦略は、酸エッチングを用いた SH 表面の本質的な階層構造を達成するために適切な粗度を組み込まれています。このプロセスは、他の金属や組成の異?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
本研究はプロジェクトによって支えられた: MAT2014 60615 R と MAT2017-82182-R によって資金を供給状態研究機関 (SRA)、欧州地域開発基金 (ERDF)。
Materials
| Hydrochloric acid, 37% | SICAL, S.A. | AC07411000 | used for acid etching |
| 1H,1H,2H,2H-Perfluorodecyltriethoxysilane, 97% | Sigma-Aldrich | 658758 | used for silanization with FAS-17 |
| Dupont AF1600 | Dupont | D10389631 | used for fluropolymer deposition |
| FC-72 | 3M, Fluorinet | 1100-2-93 | used for fluropolymer deposition (flurocarbon solvent) |
| Cerium(III) chloride heptahydrate, 99.9% | Sigma-Aldrich | 228931 | used for Ceria coating deposition |
| Hydrogen peroxide solution, 30% | Sigma-Aldrich | H1009 | used for Ceria coating deposition |
| Stearic acid, ≥98.5% | Sigma-Aldrich | S4751 | used for Ceria coating deposition |
| Ethanol | SICAL, S.A. | 16271 | used throughout |
| Acetone | SICAL, S.A. | 1090 | used throughout |
| Aluminum sheets 0.5mm | MODULOR (Germany) | 125993 | substrates used throught |
| Micro-90 concentrated cleaning solution | Sigma-Aldrich | Z281506 | |
| Ultra pure Milli-Q water | Millipore | discontinued | used throughout |
| Plasma Etcher/Asher/Cleaner EMITECH K1050X | Aname | K1500XDEV-001 | used throughout |
| PCC software | AMETEK | discontinued | sofware controlling the high speed camera Phantom MIRO 4 |
| High Speed Camera Phantom Miro 4 | AMETEK | discontinued | used for bouncing drop experiments |
| Open Loop PLµ 2.32 | UPC-CD6 & Sensofar Tech S.L. | version 2.32 | Sofware controlling PLµ Confocal Imaging Profiler |
| Plµ-Confocal Imaging Profiler 2300 | Sensofar Tech S.L. | discontinued | used for roughness measurements |
| TABER 5750 LINEAL ABRASER | TABER | 5750 | used for lateral abrasion tests |
| Abbrasive sand: ASTM 20-30 SAND C778 | U.S. SILICA COMPANY (USA) | 1-800-635-7263 | used for abrasive partcile impact tests |
| Ozone cleaner: PSDP-UV4T, Digital UV Ozone System | Novascam | discontinued | UV-ozone degradation test |
| Peristalitic Pump GILSON 312, France | GILSON (France) | discontinued | used for water dripping test |
| Nylon thread | Dracon fishing line, Izorline internacional, inc. (USA) | discontinued | used for ice adhesion tests |
| Digital force gauge (ZTA-200N, ZTA Series | IMADA (USA) | 370199 | used for ice adhesion tests |
| Motorized test stand I, MH2-500N-FA | IMADA (USA) | 366942 | used for ice adhesion tests |
| Force Recorder Professional | IMADA (USA) | version 1.0.2 | software provided by IMADA to register the force |
| HYGROCLIP XD – STANDARD PROBE | Rotronic | discontinued | Temperature and humidity probe |
| HW3 Lite software | Rotronic | version 2.1.2 | Sofware controlling the HYGROCLIP Probe |
Riferimenti
- Fang, G., Amirfazli, A. Understanding the anti-icing behavior of superhydrophobic surfaces. Surface Innovations. 2 (2), 94-102 (2014).
- Wang, N., et al. Robust superhydrophobic coating and the anti-icing properties of its lubricants-infused-composite surface under condensing condition. New Journal of Chemistry. 41 (4), 1846-1853 (2017).
- Jung, S., et al. Are superhydrophobic surfaces best for icephobicity?. Langmuir. 27 (6), 3059-3066 (2011).
- Milionis, A., Loth, E., Bayer, I. S. Recent advances in the mechanical durability of superhydrophobic materials. Advances in Colloid and Interface Science. 229, 57-79 (2016).
- Li, X. -. M., Reinhoudt, D., Crego-Calama, M. What do we need for a superhydrophobic surface? A review on the recent progress in the preparation of superhydrophobic surfaces. Chemical Society Reviews. 36 (8), 1350-1368 (2007).
- Sun, M., et al. Artificial Lotus Leaf by Nanocasting. Langmuir. 21 (19), 8978-8981 (2005).
- Darmanin, T., Guittard, F. Superhydrophobic and superoleophobic properties in nature. Materials Today. 18 (5), 273-285 (2015).
- Marmur, A. Soft contact: Measurement and interpretation of contact angles. Soft Matter. 2 (1), 12-17 (2006).
- Li, W., Amirfazli, A. Hierarchical structures for natural superhydrophobic surfaces. Soft Matter. 4 (3), 462-466 (2008).
- Ruiz-Cabello, F. J. M., Rodríguez-Criado, J. C., Cabrerizo-Vílchez, M., Rodríguez-Valverde, M. A., Guerrero-Vacas, G. Towards super-nonstick aluminized steel surfaces. Progress in Organic Coatings. 109, 135-143 (2017).
- Yuan, Z., et al. Fabrication of superhydrophobic surface with hierarchical multi-scale structure on copper foil. Surface and Coatings Technology. 254, 151-156 (2014).
- Varshney, P., Mohapatra, S. S., Kumar, A. Superhydrophobic coatings for aluminium surfaces synthesized by chemical etching process. International Journal of Smart and Nano Materials. 7 (4), 248-264 (2016).
- Ruiz-Cabello, F. J. M., et al. Testing the performance of superhydrophobic aluminum surfaces. Journal of Colloid and Interface Science. 508, 129-136 (2017).
- Mahadik, S. A., et al. Superhydrophobic silica coating by dip coating method. Applied Surface Science. 277, 67-72 (2013).
- Xu, L., Karunakaran, R. G., Guo, J., Yang, S. Transparent, superhydrophobic surfaces from one-step spin coating of hydrophobic nanoparticles. ACS Applied Materials & Interfaces. 4 (2), 1118-1125 (2012).
- Montes Ruiz-Cabello, F. J., Amirfazli, A., Cabrerizo-Vilchez, M., Rodriguez-Valverde, M. A. Fabrication of water-repellent surfaces on galvanized steel. RSC Advances. 6 (76), 71970-71976 (2016).
- Li, L., Breedveld, V., Hess, D. W. Creation of superhydrophobic stainless steel surfaces by acid treatments and hydrophobic film deposition. ACS Applied Materials & Interfaces. 4 (9), 4549-4556 (2012).
- Wang, N., Xiong, D., Deng, Y., Shi, Y., Wang, K. Mechanically robust superhydrophobic steel surface with anti-icing, UV-durability, and corrosion resistance properties. ACS Applied Materials & Interfaces. 7 (11), 6260-6272 (2015).
- Azimi, G., Kwon, H. -. M., Varanasi, K. K. Superhydrophobic surfaces by laser ablation of rare-earth oxide ceramics. MRS Communications. 4 (3), 95-99 (2014).
- Liang, J., Hu, Y., Fan, Y., Chen, H. Formation of superhydrophobic cerium oxide surfaces on aluminum substrate and its corrosion resistance properties. Surface and Interface Analysis. 45 (8), 1211-1216 (2013).
- Azimi, G., Dhiman, R., Kwon, H. -. M., Paxson, A. T., Varanasi, K. K. Hydrophobicity of rare-earth oxide ceramics. Nature Materials. 12, 315 (2013).
- Ruan, M., et al. Preparation and anti-icing behavior of superhydrophobic surfaces on aluminum alloy substrates. Langmuir. 29 (27), 8482-8491 (2013).
- Yin, L., et al. In situ investigation of ice formation on surfaces with representative wettability. Applied Surface Science. 256 (22), 6764-6769 (2010).
- Boinovich, L., Emelyanenko, A. M., Korolev, V. V., Pashinin, A. S. Effect of wettability on sessile drop freezing: when superhydrophobicity stimulates an extreme freezing delay. Langmuir. 30 (6), 1659-1668 (2014).
- Antonini, C., Innocenti, M., Horn, T., Marengo, M., Amirfazli, A. Understanding the effect of superhydrophobic coatings on energy reduction in anti-icing systems. Cold Regions Science and Technology. 67 (1-2), 58-67 (2011).
- Chen, J., et al. Superhydrophobic surfaces cannot reduce ice adhesion. Applied Physics Letters. 101 (11), 111603 (2012).
- Adam, S., Barada, K. N., Alexander, D., Mool, C. G., Eric, L. Linear abrasion of a titanium superhydrophobic surface prepared by ultrafast laser microtexturing. Journal of Micromechanics and Microengineering. 23 (11), 115012 (2013).
- Li, X. -. W., et al. Low-cost and large-scale fabrication of a superhydrophobic 5052 aluminum alloy surface with enhanced corrosion resistance. RSC Advances. 5 (38), 29639-29646 (2015).
- Meuler, A. J., et al. Relationships between water wettability and ice adhesion. ACS Applied Materials & Interfaces. 2 (11), 3100-3110 (2010).
- Boinovich, L. B., et al. Combination of functional nanoengineering and nanosecond laser texturing for design of superhydrophobic aluminum alloy with exceptional mechanical and chemical properties. ACS Nano. 11 (10), 10113-10123 (2017).
- Wan, B., et al. Superhydrophobic ceria on aluminum and its corrosion resistance. Surface and Interface Analysis. 48 (3), 173-178 (2016).
- Gómez-Lopera, J. F., Martínez-Aroza, J., Rodríguez-Valverde, M. A., Cabrerizo-Vílchez, M. A., Montes-Ruíz-Cabello, F. J. Entropic image segmentation of sessile drops over patterned acetate. Mathematics and Computers in Simulation. 118, 239-247 (2015).
- Gao, L., McCarthy, T. J. Teflon is hydrophilic. comments on definitions of hydrophobic, shear versus tensile hydrophobicity, and wettability characterization. Langmuir. 24 (17), 9183-9188 (2008).
- Ruiz-Cabello, F. J. M., Rodriguez-Valverde, M. A., Cabrerizo-Vilchez, M. A new method for evaluating the most stable contact angle using tilting plate experiments. Soft Matter. 7 (21), 10457-10461 (2011).
- Pierce, E., Carmona, F. J., Amirfazli, A. Understanding of sliding and contact angle results in tilted plate experiments. Colloids Surfaces A. 323 (1-3), 73-82 (2008).
- Ye, H., Zhu, L., Li, W., Liu, H., Chen, H. Simple spray deposition of a water-based superhydrophobic coating with high stability for flexible applications. Journal of Materials Chemistry. 5 (20), 9882-9890 (2017).
- Rolland, J. P., Van Dam, R. M., Schorzman, D. A., Quake, S. R., DeSimone, J. M. Solvent-resistant photocurable "liquid Teflon" for microfluidic device fabrication. Journal of the American Chemical Society. 126 (8), 2322-2323 (2004).
