Изготовление металлических Superhydrophobic поверхностей антиобледенения приложений

Summary

Мы иллюстрируют несколько методик производить superhydrophobic поверхности металла и изучить их долговечности и антиобледенения свойства.

Abstract

В этой работе представлены несколько способов для получения superhydrophobic поверхности металла. Алюминия был выбран в качестве металлической подложки из-за его широкого использования в промышленности. Смачиваемость поверхности производства был проанализирован подпрыгивая падение эксперименты и топографии был проанализирован confocal микроскопии. Кроме того мы покажем различные методологии для измерения его долговечность и антиобледенения свойства. Superhydrophobic поверхностей проводят специальные текстуры, которые должны быть сохранены, чтобы держать их гидрофобизации. Для изготовления прочной поверхности, мы последовали две стратегии для включения устойчивостью текстуру. Первая стратегия является прямое включение шероховатости на металлической подложке путем травления кислотой. После этого поверхности texturization поверхностной энергии уменьшился на silanization или фторопластовые осаждения. Вторая стратегия является рост ceria слоя (после поверхности texturization), который должен повысить Поверхностная твердость и устойчивость к коррозии. Поверхностная энергия была снижена с пленкой стеариновая кислота.

Долговечность superhydrophobic поверхностей было рассмотрено испытание на удар частиц, механический износ бокового износа, и УФ озон сопротивления. Антиобледенения свойства были изучены, изучая возможность отменить subcooled воды, замораживания задержки и сцепление на льду.

Introduction

Способность superhydrophobic поверхностей (SH) для отражения воды причина что они традиционно предлагается в качестве решения для предотвращения обледенения^1,2. Однако, существуют опасения относительно пригодности SH поверхностей для агентов антиобледенения: 1) высокие издержки производства, 2) что superhydrophobicity не всегда ведет к лед phobicity³и 3) сомнительной прочностью SH поверхности⁴ . Superhydrophobic поверхностей держать два свойства, связанные с их топографии и химический состав⁵: они являются грубыми, с топографические особенности; и их поверхностной энергии является низким (неразрывно гидрофобные).

Шероховатости на гидрофобной поверхности служит для уменьшения соотношение между реальной твердое вещество жидкость и очевидной площадь контакта. Вода является не полностью контакте тела благодаря lotus эффект^6,7, когда падение лежит или перемещается на неровности поверхности. В этом случае интерфейс твердое вещество жидкость действует гетерогенно с двух химических доменов: самой твердой поверхности и крошечные пузырьки воздуха в ловушке между твердой и воды⁸. Степень водоотталкивающие подключен к количество воздуха, потому что патчи воздуха являются гладкими и его внутренние контактный угол 180°. Некоторые исследования сообщают включения иерархической текстуры поверхности с микро- и нано неровности в качестве оптимальной стратегии для обеспечения лучшего водоотталкивающие свойства (более наличие воздуха в интерфейсе твердое вещество жидкость)⁹. Для некоторых металлов лоу кост стратегией для создания шероховатости два уровня функции — кислота травления^10,11. Эта процедура часто используется в промышленности. С некоторыми кислоты концентрации и травления раз поверхности металла раскрывает надлежащей иерархической шероховатости. В общем шероховатости поверхности оптимизирована путем изменения концентрации кислоты, время травления или оба¹². Поверхностная энергия металлов высок и по этой причине изготовление водоотталкивающим металлических поверхностей требует позднее гидрофобизации.

Гидрофобизации обычно достигается путем осаждения гидрофобной пленки, с использованием различных методов: silanization^10,13,¹⁴dip покрытие, спин покрытие¹⁵, распыления^{17 16} или плазменного напыления . Silanization был предлагаемого¹⁸ как один из наиболее перспективным инструментом для улучшения низкая стойкость поверхности SH. В отличие от других методов осаждения silanization процесс основан на ковалентная связь между группами Si-OH с поверхности гидроксильных групп в металлической подложки¹⁰. Недостатком silanization процесса является необходимость создать достаточно гидроксильных групп высокой степени охвата и единообразия предыдущие активации субстрата металла. Другая стратегия, недавно предложил производить устойчивые superhydrophobic поверхностей является использование покрытий РЗМ-^19,20. Ceria покрытия имеют два свойства, которые оправдывают это использование: они могут быть внутренне гидрофобные²¹, и они надежны, механически и химически. В частности одним из наиболее важных причин, почему они выбрали в качестве защитных покрытий является их защиты от коррозии способности²⁰.

Производить долговечные SH металлических поверхностей, рассматриваются два вопроса: текстуры поверхности не должны быть повреждены, и гидрофобные плено должны твердо закреплено к подложке. Поверхности обычно подвергаются носить возникла боковых ссадина или частиц воздействия⁴. Если повреждены выступами, гидрофобизации может быть существенно уменьшен. В экстремальных условиях гидрофобное покрытие может быть частично удалены с поверхности или может химически разлагаться УФ облучения, влажности или коррозии. Дизайн прочного SH поверхности покрытий является важной задачей для покрытия и поверхности техники.

Для металлов, один из самых высоких требований является, что способность антиобледенения основывается на трех взаимосвязанных аспектах²² , как показано на рисунке 1: subcooled водоотталкивающие, замораживания задержки и низкой льда адгезии. Открытый Обледенение происходит при subcooled воды, обычно дождя падает, вступает в контакт с твердой поверхности и быстро замороженных гетерогенной нуклеации²³. Сформированные льда (иней) прочно прикреплены к поверхности. Таким образом первый шаг, чтобы избежать обледенения является сократить время контакта твердых воды. В случае superhydrophobic поверхности капли дождя может быть выслан из поверхности перед замораживанием. Кроме того было доказано, что в влажных условиях, поверхности с высоким углом контакта задержки, замораживания более эффективно, чем те, с низким углом контакта²⁴. По этим двум причинам SH поверхности являются наиболее подходящей поверхности для уменьшения обледенения. Однако время жизни superhydrophobic поверхностей может быть ключевой момент, поскольку условиях обледенения, обычно агрессивной²⁵. Некоторые исследования пришли к выводу, что SH поверхности не являются лучшим выбором для уменьшения льда адгезии²⁶. После форм льда на поверхности, она остается твердо прилагаемый из-за неровности поверхности. Шероховатости увеличивает площадь соприкосновения поверхности льда и городами в качестве взаимосвязанных агентов²⁶. Чтобы избежать обледенения, если нет никаких следов льда уже присутствует на поверхности рекомендуется использовать прочный SH поверхностей.

В этой работе мы представляем несколько протоколов для получения прочных поверхностях SH на металлические субстраты. Мы используем алюминиевые (Al) как субстрат, потому что он широко используется в промышленности, и включение свойства антиобледенения особенно актуально для некоторых приложений (Услуги горнолыжных курортов, Аэронавтика, и т.д.). Мы готовим три типа поверхностей: текстурированная поверхность Аль, покрытые фторполимерные покрытия, текстурированной поверхности silanized Аль fluorosilane и церия стеариновая кислота бислой на Al подложке. Подобные методы^17,27,28,29 обеспечивают 100-300 Нм фильм толщины или даже Однослойные пленки. Для каждой поверхности мы измерить их свойства смачивания и провел испытания на износ. Наконец мы проанализировали их антиобледенения производительности с помощью трех тестов, направленных зонда независимо друг от друга три свойства, показанный на рисунке 1.

Наш протокол основан на схеме показано на рисунке 2. После того, как готовятся SH Al поверхности, их свойства смачивания и топографии проанализированы, чтобы определить их отталкивающих свойств свойства и характеристики шероховатости. Смачивание свойства анализируются подпрыгивая падение экспериментов, который является техника, подключенных к воды растяжение адгезии. Поскольку наблюдение за снижение отказов не требуется, этот метод подходит только для superhydrophobic поверхностей¹³. Для каждой обработки поверхности мы подготовили, по крайней мере четыре образцы для проведения испытаний антиобледенения и еще четырех образцов для испытания прочности. Ущерб, причиненный после каждого испытания на долговечность была проанализирована путем измерения потери смачивания свойств и особенностей шероховатости. Подобные прочность проверяет предлагаемые в этой работе использовались недавно для других металлических поверхностей^27,30.

Относительно испытаний, антиобледенения цель этого исследования необходимо определить ли использование производимых поверхностей SH Аль удобны как антиобледенения агентов. Следовательно, мы проанализировали, для сравнения, производительность двух контрольных образцов:) неочищенные Аль образец (гладкая гидрофильные) и b гидрофобизированные но не текстурированной образец (гладкая гидрофобные). Для той же цели использование текстурированной, но не гидрофобизированные поверхности могут представлять интерес. К сожалению эта поверхность чрезвычайно смачиваемые и антиобледенения испытания не может осуществляться для них.

Protocol

Примечание: Протокол следует схеме показано на рисунке 2. 1. Пробоподготовка Резка и очистка Использование металла shear, 250 x 250 мм x 0,5 мм листы алюминия нарежьте 25 x 45 мм x 0,5 мм шт.Примечание: Особое внимание должны быть приняты при исполь?…

Representative Results

На рисунке 5показаны свойства смачивания и шероховатости поверхностей SH, использовавшиеся в этом исследовании. Среднее количество отскоков, измеренная для каждого образца отображается в Рисунок 5a и средняя шероховатость показано на <s…

Discussion

В этой статье мы демонстрируем стратегии производить водоотталкивающей поверхности алюминиевых поверхностей. Кроме того мы показываем методы характеризовать их свойства смачивания, шероховатости, долговечность и производительность антиобледенения.

Для подготовки п?…

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