تصنيع سوبيرهيدروفوبيك الأسطح المعدنية لتطبيقات مضادة للتجمد
Summary
نحن توضيح عدة منهجيات لإنتاج سوبيرهيدروفوبيك الأسطح المعدنية واستكشاف خصائصها المضادة التجمد والمتانة.
Abstract
وتعرض عدة طرق لإنتاج الأسطح المعدنية سوبيرهيدروفوبيك في هذا العمل. واختير الألومنيوم كالركيزة المعدنية بسبب استخدامها على نطاق واسع في الصناعة. ويتابيليتي السطح المنتجة تم تحليلها بواسطة كذاب إسقاط التجارب وقد تم تحليل التضاريس بالفحص المجهري [كنفوكل]. وباﻹضافة إلى ذلك، نعرض مختلف منهجيات قياس المتانة وخصائص مضادة للتجمد. عقد السطوح سوبيرهيدروفوبيك نسيج خاصة التي يجب الحفاظ عليها للحفاظ على واتيرريبيلينسي. لاختلاق السطوح دائم، تابعنا استراتيجيتين لإدراج مادة مقاومة. الاستراتيجية الأولى إدماج مباشر خشونة إلى الركيزة المعدنية بالنقش حمض. بعد هذا تيكستوريزيشن السطحية، قد انخفضت الطاقة السطحية بترسب سيلانيزيشن أو فلوروبوليمير. الاستراتيجية الثانية هي نمو طبقة سريا (بعد تيكستوريزيشن السطحية) التي ينبغي أن تعزز السطحية الصلابة والمقاومة للتآكل. كان تناقص الطاقة السطحية مع فيلم حمض دهني.
تم فحص متانة السطوح سوبيرهيدروفوبيك اختبار تأثير الجسيمات، وارتداء الميكانيكية بالكشط الأفقي، ومقاومة الأوزون الأشعة فوق البنفسجية. واستكشفت بدراسة القدرة على إلغاء subcooled المياه، تجميد التأخير، والجليد التصاق خصائص مضادة للتجمد.
Introduction
سوبيرهيدروفوبيك (ش) الأسطح قادرة على صد المياه هو السبب في أن اقترحوا تقليديا كحل لمنع الجليد1،2. ومع ذلك، هناك مخاوف بشأن مدى ملاءمة السطوح SH لعوامل مضادة للتجمد: 1) ارتفاع تكاليف الإنتاج، سوبيرهيدروفوبيسيتي 2) أنه لا يؤدي دائماً إلى الجليد-فوبيسيتي3و 3) مشكوك فيها متانة SH السطوح4 . الأسطح سوبيرهيدروفوبيك عقد اثنين من الخصائص المتعلقة بتكوين الطوبوغرافيا والمادة الكيميائية على5: والخام، مع السمات الطوبوغرافية الخاصة؛ وهو منخفض من الطاقة السطحية (مسعور جوهريا).
خشونة على سطح الماء يؤدي إلى خفض النسبة بين منطقة الحقيقية الصلبة والسائلة ومنطقة الاتصال الظاهر. المياه ليست تماما على اتصال الصلبة بسبب6،لوتس تأثير7، عندما تقع على الانخفاض أو يتحرك على أسبيريتيس السطحية. في هذا السيناريو، واجهة الصلبة والسائلة أفعال تقوم بهذين المجالين الكيميائي: سطح صلب نفسها وفي فقاعات الهواء الصغيرة محاصرين بين الصلبة والمياه8. درجة صد الماء متصل بكمية الهواء المحبوس للبقع الهواء السلس وزاوية الاتصال الجوهرية هو 180°. بعض الدراسات عن إدراج مادة سطح هرمي مع الجزئي ونانو-أسبيريتيس الاستراتيجية المثلى لتوفير أفضل خصائص طارد المياه (وجود أكبر من الهواء في الواجهة الصلبة والسائلة)9. بالنسبة لبعض المعادن، هو استراتيجية منخفضة التكلفة لإنشاء ميزات مستويين خشونة النقش حمض10،11. وكثيراً ما يستخدم هذا الإجراء في الصناعة. مع تركيزات حمض والنقش بأوقات معينة، يكشف السطح المعدني خشونة الهرمية المناسبة. بشكل عام، هو الأمثل تخشين السطح باختلاف تركيز حامض أو النقش مرة كل12. الطاقة السطحية للمعادن عالية لهذا السبب، يتطلب تصنيع الأسطح المعدنية طارد المياه هيدروفوبيزيشن فيما بعد.
ويتحقق هيدروفوبيزيشن عموما بترسب مسعور الفيلم باستخدام أساليب مختلفة: سيلانيزيشن10،13،14من تراجع-طلاء، تدور-طلاء15، رش16 أو البلازما ترسيب17 . وقد سيلانيزيشن المقترح18 كواحدة من الأدوات الأكثر تبشيرا بالنجاح لتحسين متانة السطوح SH منخفضة. خلافا لغيرها من تقنيات الترسيب، هي عملية سيلانيزيشن استناداً إلى سند تساهمية بين المجموعات يا سي مع مجموعات الهيدروكسيل سطح الركيزة المعدنية10. عيب عملية سيلانيزيشن هو الحاجة إلى تنشيط الركيزة المعدنية السابقة لإنشاء مجموعات الهيدروكسيل كافية لدرجة عالية من التغطية والتوحيد. استراتيجية أخرى اقترحت مؤخرا على أسطح مقاومة لإنتاج سوبيرهيدروفوبيك هو استخدام الطلاءات التراب النادر19،20. الطلاء سريا بخاصيتين لتبرير هذا الاستخدام: يمكن أن يكون جوهريا مسعور21، وقوى ميكانيكيا وكيميائيا. على وجه الخصوص، هو واحد من أهم الأسباب لماذا يختارون كالطلاء بهم قدرات التآكل لحماية20.
لإنتاج طويلة الأمد SH الأسطح المعدنية، تعتبر مسألتين: يجب أن لا يكون معطوباً نسيج السطح، والفيلم/الطلاء مسعور يجب أن يكون راسخا إلى الركيزة. الأسطح يتعرض عادة ارتداء نشأت ب تأثير الكشط أو الجسيمات الأفقي4. في حالة تلف في أسبيريتيس، قد يكون تخفيضاً في واتيرريبيلينسي. ضمن البيئات المتطرفة، قد تتم إزالة جزئيا من السطح الطلاء مسعور أو قد تتحلل كيميائيا بالتعرض للأشعة فوق البنفسجية، أو الرطوبة، أو التآكل. تصميم طلاء السطوح SH دائم يشكل تحديا هاما لطلاء والهندسة السطحية.
بالنسبة للمعادن، أحد المتطلبات الأكثر تطلبا أن قدرة مضادة للتجمد يرتكز على ثلاثة جوانب مترابطة22 كما هو مبين في الشكل 1: subcooled صد الماء وتأخير التجميد والتصاق الجليد منخفضة. الجليد في الهواء الطلق يحدث عندما subcooled المياه، عادة المطر يسقط ويأتي في اتصال مع سطح صلب وهو سرعة جمدتها التنو متغايرة23. الجليد شكلت (الصقيع) أرفقت بشدة إلى السطح. وهكذا، الخطوة الأولى لتجنب الجليد لتقليل وقت الاتصال الصلبة بالمياه. إذا كان السطح سوبيرهيدروفوبيك، يجوز طرد قطرات المطر من على سطح الأرض قبل التجميد. وباﻹضافة إلى ذلك، وقد ثبت أن الأسطح مع زاوية اتصال عالية تأخير تحت الظروف الرطبة، تجميد أكثر كفاءة من تلك التي مع زاوية اتصال منخفضة24. لهذين السببين، هي الأسطح SH الأسطح الأكثر ملائمة للتخفيف من تتويج للعملية. ومع ذلك، قد يكون عمر السطوح سوبيرهيدروفوبيك نقطة رئيسية نظراً لظروف الجليد العدوانية عادة25. وأبرمت بعض الدراسات أن الأسطح SH ليست أفضل خيار لتقليل التصاق الجليد26. مرة أشكال الجليد على السطح، فإنه يبقى المرفقة بشدة بسبب أسبيريتيس السطحية. يزيد الخشونة منطقة الاتصال سطح الجليد وأسبيريتيس بمثابة عوامل متشابكة26. ينصح باستخدام دائم SH الأسطح لتجنب الجليد إذا لم يكن هناك أي آثار للجليد الموجودة بالفعل على السطح.
في هذا العمل، ونحن نقدم العديد من البروتوكولات لإنتاج أسطح SH دائم على ركائز معدنية. نحن نستخدم الألومنيوم (Al) الركيزة لأنه يتم استخدامه على نطاق واسع في الصناعة، وإدراج خصائص مضادة للتجمد ذات أهمية خاصة لبعض التطبيقات (مرافق منتجعات التزلج، والملاحة الجوية، إلخ). نحن نعد ثلاثة أنواع من السطوح: سطح ال محكم المغلفة مع فلوروبوليمير طلاء، سيلانيزيد سطحية ال محكم مع فلوروسيلاني، وبلير حمض سريا ستارك على الركازة بن. مماثلة تقنيات17،،من2728،29 توفير 100-300 نانومتر سمك الفيلم أو حتى أحادي الطبقة الأفلام. لكل سطح، وقياس خصائصها التبول، وأجرت تجارب ارتداء. وأخيراً، قمنا بتحليل أدائهم مضادة للتجمد، باستخدام ثلاثة اختبارات تهدف إلى التحقيق بشكل مستقل في ثلاثة خصائص هو مبين في الشكل 1.
لدينا بروتوكول يستند على النظام هو مبين في الشكل 2. حالما يتم إعداد الأسطح SH Al، يتم تحليل خصائص ترطيب، والطوبوغرافيا لتحديد خصائص صد وميزات خشونة. ويتم تحليل خصائص ترطيب من كذاب إسقاط التجارب، وتقنية متصلة بالمياه الالتصاق الشد. نظراً لملاحظة انخفاض مستبعد المطلوبة، أن هذا الأسلوب فقط مناسبة للأسطح سوبيرهيدروفوبيك13. لكل من المعالجة السطحية، أننا على استعداد على الأقل أربع عينات لإجراء اختبارات مضادة للتجمد وعينات أربع أخرى إجراء اختبارات المتانة. وقد تم تحليل الأضرار بعد كل اختبار المتانة بقياس الخسائر في التبول خصائص وميزات خشونة. اختبارات المتانة مماثلة للمقترح منها في هذا العمل واستخدمت مؤخرا27،الأسطح المعدنية الأخرى30.
وفيما يتعلق باختبارات مضادة للتجمد، أن الهدف من هذه الدراسة تحديد ما إذا كان استخدام الأسطح SH Al المنتجة مريحة كعوامل مضادة للتجمد. ومن ثم، قمنا بتحليل، على سبيل المقارنة، أداء عينات مراقبة اثنين: أ) عينة ال غير معالجة (عينة ماء ناعمة) وب) هيدروفوبيزيد لكن غير محكم العينة (عينة مسعور السلس). لنفس الغرض، قد يكون استخدام محكم ولكن لا هيدروفوبيزيد السطح للفائدة. للأسف، هذا السطح الغاية قابل للبلل واختبارات مضادة للتجمد لا يمكن الاضطلاع عليها.
Protocol
Representative Results
Discussion
في هذه الورقة، ونظهر استراتيجيات لإنتاج أسطح طارد المياه على ركازات الألومنيوم. وباﻹضافة إلى ذلك، نعرض الأساليب لتوصيف خصائص ترطيب وخشونة، والمتانة والأداء مضادة للتجمد.
لإعداد الأسطح SH، قمنا باستخدام استراتيجيتين. الاستراتيجية الأولى تتضمن درجة خشونة السليم إلى تحقيق ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
أيد هذا البحث المشاريع: MAT2014-60615-R و MAT2017-82182-R تمولها وكالة أبحاث الدولة (SRA)، وصندوق التنمية الإقليمية الأوروبية (سيطلب).
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 |
References
- 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).
