Herstellung von Superhydrophob Metalloberflächen für Anti-Icing-Anwendungen

Summary

Wir zeigen verschiedene Methoden superhydrophob Metalloberflächen zu produzieren und ihre Langlebigkeit und Anti-Icing Eigenschaften zu erkunden.

Abstract

Mehrere Möglichkeiten, superhydrophob Metalloberflächen zu produzieren werden in dieser Arbeit vorgestellt. Aluminium wurde als das Metall Substrat aufgrund seiner breiten Einsatz in der Industrie gewählt. Die Benetzbarkeit der erzeugten Oberfläche wurde durch das Prellen Tropfen Experimente analysiert und die Topographie von konfokalen Mikroskopie analysiert wurde. Darüber hinaus zeigen wir verschiedene Methoden, um seine Haltbarkeit und Anti-Icing-Eigenschaften zu messen. Superhydrophob Oberflächen halten eine besondere Textur, die aufbewahrt werden muss, um ihre Wasserabweisung zu halten. Um dauerhafte Oberflächen zu fabrizieren, folgten wir zwei Strategien, um eine beständige Struktur zu integrieren. Die erste Strategie ist eine direkte Einbindung von Rauheit auf dem metallischen Untergrund durch Ätzen. Nach dieser Oberfläche Texturierung wurde die Oberflächenenergie durch Silanisierung oder Fluorpolymer-Abscheidung verringert. Die zweite Strategie ist das Wachstum eines Ceria Layers (nach Oberfläche Texturierung), die Härte und Korrosionsbeständigkeit der Oberflächenwiderstand verbessern sollte. Die Oberflächenenergie wurde mit einem Stearinsäure Film verringert.

Die Haltbarkeit der superhydrophob Oberflächen wurde von einem Teilchen Schlagprüfung, mechanischer Verschleiß durch seitliche Abrieb und UV-Ozon-Widerstand untersucht. Die Anti-Icing-Eigenschaften wurden durch das Studium der Fähigkeit, unterkühlt, Verzögerung, Erfrieren des Wassers aufzuheben und Eis Adhäsion erkundet.

Introduction

Die Fähigkeit der superhydrophob (SH) Oberflächen wasserabweisend ist der Grund, dass sie traditionell als eine Lösung zur Vermeidung von Vereisung^1,2vorgeschlagen werden. Allerdings gibt es Bedenken hinsichtlich der Eignung von SH-Oberflächen für Anti-Icing-Agenten: (1) die hohen Kosten der Produktion (2) diese Superhydrophobicity führt nicht immer zu Eis-Phobicity³und 3) die fragwürdige Haltbarkeit der SH Oberflächen⁴ . Superhydrophob Oberflächen halten zwei Eigenschaften in Bezug auf die Topographie und die chemische Zusammensetzung⁵: sie sind rau, mit topographischen Besonderheiten; und ihre Oberflächenenergie ist niedrig (intrinsisch hydrophob).

Die Rauheit auf einer hydrophoben Oberfläche dient dazu, das Verhältnis zwischen dem echten fest-flüssig-Bereich und die scheinbaren Kontaktfläche zu reduzieren. Das Wasser ist nicht vollständig in Kontakt mit festen wegen der Lotus-Effekt^6,7, wenn die Tropfen auf die Oberfläche Unebenheiten bewegt oder ruht. In diesem Szenario die fest-flüssig-Schnittstelle fungiert heterogen mit zwei chemischen Domains: der festen Oberfläche selbst und die winzige Luftblasen eingeschlossen zwischen festen und Wasser⁸. Der Grad der Wasserabweisung ist auf den Betrag der eingeschlossenen Luft verbunden, weil die Luft-Patches glatt sind und seine inneren Kontaktwinkel 180°. Einige Studien berichten die Einbeziehung der eine hierarchische Oberflächenstruktur mit Mikro- und Nano-Unebenheiten als die optimale Strategie zu besseren wasserabweisende Eigenschaften (stärkere Präsenz von Luft an der fest-flüssig-Schnittstelle)⁹. Für einige Metalle ist eine Low-Cost-Strategie Zweiebenen-Rauheit Features erstellen Säure-Radierung^10,11. Dieses Verfahren wird häufig in der Industrie verwendet. Mit bestimmten Säurekonzentrationen und Radierung Zeiten offenbart die Metalloberfläche die korrekte hierarchische Rauheit. Im Allgemeinen ist die Oberfläche aufrauen optimiert durch Variation der Säurekonzentration, Radierung Zeit oder beide¹². Die Oberflächenenergie von Metallen ist hoch und aus diesem Grund erfordert die Herstellung von wasserabweisenden Metalloberflächen später Hydrophobierung.

Hydrophobierung ist in der Regel durch hydrophobe Film Ablagerung mit verschiedenen Methoden erreicht: Silanisierung^10,13, Tauchbeschichtung¹⁴, Spin-Coating¹⁵,¹⁶ oder Plasma-Ablagerung¹⁷ Spritzen . Silanisierung wurde vorgeschlagenen¹⁸ als eines der vielversprechendsten Tools für die geringe Haltbarkeit der SH Oberflächen zu verbessern. Im Gegensatz zu anderen Techniken Ablagerung basiert der Silanisierung Prozess auf eine kovalente Bindung zwischen den Si-OH-Gruppen mit der Oberfläche Hydroxylgruppen der Metallsubstrat¹⁰. Ein Nachteil der Silanisierung-Prozesses ist die Notwendigkeit der vorherigen Aktivierung des Metal Substrates genug Hydroxyl-Gruppen für ein hohes Maß an Reichweite und Einheitlichkeit zu erstellen. Eine andere Strategie, die vor kurzem vorgeschlagen, Produkte beständig superhydrophob Flächen ist die Verwendung von Seltenerd Beschichtungen^19,20. Ceria Beschichtungen haben zwei Eigenschaften, die diese Anwendung zu rechtfertigen: sie sind intrinsisch hydrophobe²¹, und sie sind mechanisch und chemisch stabil. Insbesondere ist einer der wichtigsten Gründe, warum sie als Schutzschichten gewählt sind, ihre Korrosionsschutz Fähigkeiten²⁰.

Um lang anhaltende SH Metalloberflächen zu produzieren, gelten als zwei Themen: die Oberflächenstruktur darf nicht beschädigt sein und der hydrophoben Folienbeschichtung fest auf dem Untergrund verankert sein müssen. Oberflächen sind in der Regel ausgesetzt, entstanden durch seitliche Abrieb oder Partikel Auswirkungen⁴tragen. Wenn die Unebenheiten beschädigt sind, kann die Wasserabweisung erheblich reduziert werden. Unter extremen Bedingungen die hydrophobe Beschichtung kann teilweise von der Oberfläche entfernt werden oder kann durch UV-Belichtung, Feuchtigkeit oder Korrosion chemisch abgebaut werden. Das Design des dauerhaften SH-Oberflächen-Beschichtungen ist eine wichtige Herausforderung für Beschichtungs- und Oberflächentechnik.

Für Metalle, ist eines der anspruchsvollsten Anforderungen, dass die Anti-Icing-Fähigkeit auf drei miteinander verbundene Aspekte²² beruht, wie in Abbildung 1dargestellt: Unterkühlung Wasserabweisung, Einfrieren Delay und geringe Eis-Haftung. Outdoor-Vereisung tritt auf, wenn Unterkühlung Wasser, in der Regel Regen fällt, kommt in Kontakt mit einer festen Oberfläche und ist schnell durch heterogene Keimbildung²³eingefroren. Das gebildete Eis (Reim) ist fest mit der Oberfläche verbunden. Somit ist der erste Schritt um Vereisung zu vermeiden, die Feststoff-Wasser-Kontaktzeit zu reduzieren. Wenn die Oberfläche superhydrophob ist, können von der Oberfläche vor dem Einfrieren Regentropfen verwiesen werden. Darüber hinaus ist es erwiesen, dass unter feuchten Bedingungen, Flächen mit einem hohen Randwinkel verzögern effizienter als diejenigen mit einem niedrigen Kontaktwinkel²⁴einfrieren. Aus diesen beiden Gründen sind SH Oberflächen die am besten geeignete Flächen um Vereisung zu mildern. Jedoch möglicherweise die Lebensdauer der superhydrophob Oberflächen ein wesentlicher Punkt, da Vereisungsbedingungen in der Regel aggressiv^{25 sind}. Einige Studien haben festgestellt, dass SH Oberflächen nicht die beste Wahl sind für die Verringerung des Eis Adhäsion²⁶. Einmal das Eis bildet sich auf der Oberfläche, es bleibt fest angeschlossenen aufgrund von Unebenheiten der Oberfläche. Die Rauheit erhöht die Eisfläche Kontaktfläche und die Unebenheiten wirken als ineinander greifende Agenten²⁶. Langlebige SH Flächen wird empfohlen, um Vereisung zu vermeiden, gibt es keine Spuren von Eis auf der Oberfläche bereits vorhanden.

In dieser Arbeit präsentieren wir Ihnen mehrere Protokolle, um dauerhafte SH Oberflächen auf Metall Substrate zu produzieren. Als Substrat verwenden wir Aluminium (Al), denn es weit in der Industrie verbreitet ist, und die Aufnahme des Anti-Icing Eigenschaften besonders relevant für bestimmte Anwendungen (Ski Resorts Einrichtungen, Luftfahrt, etc. ist). Wir bereiten Sie drei Arten von Oberflächen: eine strukturierte Al-Oberfläche mit einer Fluorpolymer Beschichtung, eine strukturierte Al Oberfläche silanisiert mit einer Fluorosilane und einem Ceria Stearin-Säure Bilayer auf eine Al-Substrat beschichtet. Ähnliche Techniken^17,27,28,29 bieten 100-300 nm Schichtdicken oder sogar monomolekularen Film Filme. Für jede Oberfläche wir vermessen ihre Benetzung Eigenschaften und Trageversuche durchgeführt. Schließlich haben wir ihre Anti-Icing-Leistung mit drei Tests zielte darauf ab, die unabhängig voneinander die drei Eigenschaften, die in Abbildung 1dargestellte probe analysiert.

Unser Protokoll basiert auf dem Schema in Abbildung 2dargestellt. Sobald die SH Al Oberflächen vorbereitet sind, werden ihre Benetzung Eigenschaften und Topographie analysiert, um ihre Ölabweisung Eigenschaften und Rauheit Merkmale zu bestimmen. Die Benetzung Eigenschaften werden analysiert, indem Prellen Tropfen Experimente, das ist eine Technik, die Wasser Zugfestigkeit Haftung verbunden. Da die Beobachtung der Drop prallt erforderlich ist, eignet sich diese Technik nur für superhydrophob Oberflächen¹³. Für jede Oberflächenbehandlung haben wir mindestens vier Anti-Icing-Tests durchzuführen und ein weiterer vier Proben, die Haltbarkeitstests durchzuführen. Die Schäden, die nach jedem Haltbarkeitstest analysiert wurde, durch die Messung des Verlust der Benetzung, Eigenschaften und Funktionen der Rauheit. Ähnlich wie Haltbarkeit tests vorgeschlagen, die in dieser Arbeit vor kurzem für andere Metalloberflächen^27,30gebrauchten waren.

Über die Anti-Icing-Tests ist das Ziel dieser Studie zu bestimmen, ob die Verwendung der produzierten SH Al Oberflächen eignen sich als Anti-Icing-Agenten. Daher analysierten wir, zum Vergleich: die Leistung der beiden Kontrollproben: (a) eine unbehandelte Al-Probe (glatte hydrophilen Probe) und (b) eine hydrophobierten aber nicht strukturierte Probe (glatte hydrophobe Probe). Für den gleichen Zweck die Verwendung von einer strukturierten aber nicht hydrophobierten Oberfläche von Interesse sein könnten. Leider, diese Oberfläche ist extrem benetzbar und Anti-Icing-Tests nicht durchgeführt werden, für sie.

Protocol

Hinweis: Das Protokoll folgt dem Schema in Abbildung 2dargestellt. 1. die Probenvorbereitung Schneiden und reinigen Verwenden eine Metall Scherung, 250 x 250 mm x 0,5 mm Platten aus Aluminium in 25 mm x 45 mm x 0,5 mm Stücke schneiden.Hinweis: Besondere Vorsicht ist bei der Verwendung von Metall Scherung und Spezialausbildung kann erforderlich sein. Entfernen Sie die Schutzfolie auf einer Seite der Probe und wa…

Representative Results

Die Benetzung und Rauheit Eigenschaften der SH-Oberflächen, die in dieser Studie verwendet wurden sind in Abbildung 5dargestellt. Die durchschnittliche Anzahl der Sprünge für jede Probe gemessen wird in Abbildung 5a und die durchschnittliche Rauheit ist in Abbildung 5 bgezeigt. Es gibt keine Korrelation zwischen der Rauheit und Benetzungseigenschaften. Die Anzahl der Reflexionen für die Polytetra…

Discussion

In diesem Beitrag zeigen wir Strategien um wasserabweisende Oberflächen auf Aluminium Substraten zu produzieren. Darüber hinaus zeigen wir Methoden, um ihre Benetzung Eigenschaften, Rauheit, Langlebigkeit und Anti-Icing Leistung charakterisieren.

Um die SH-Oberflächen vorzubereiten, haben wir zwei Strategien verwendet. Die erste Strategie integriert die richtige Rauhigkeit Grad um die intrinsische hierarchische Struktur der SH Oberflächen durch säureätzung zu erreichen. Dieser Prozess is…

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