ייצור של משטחי מתכת Superhydrophobic עבור יישומים ציפוי אנטי
Summary
אנחנו מציגים מספר מתודולוגיות לייצר משטחי מתכת superhydrophobic, וכן לבחון את עמידות ומאפייני האנטי הציפוי.
Abstract
בעבודה זו מוצגים מספר דרכים לייצר משטחי מתכת superhydrophobic. אלומיניום נבחר את המצע מתכת עקב השימוש רחב בתעשייה. Wettability של המשטח המיוצר נותחה על ידי הקפצה טיפה ניסויים, הטופוגרפיה נותחה על ידי מיקרוסקופיה קונפוקלית. בנוסף, אנו מראים מתודולוגיות שונות כדי למדוד את עמידות ומאפייני הציפוי נגד. משטחים superhydrophobic החזק מרקם מיוחד שחייבים להשמר כדי לשמור על water-repellency שלהם. להמציא משטחי עמיד, עקבנו שתי אסטרטגיות לשילוב מרקם עמיד. האסטרטגיה הראשונה היא התאגדות ישירה של חספוס כדי המצע מתכת על ידי בחומצה. לאחר texturization פני השטח הזה, האנרגיה משטח ירדו בכ התצהיר silanization או fluoropolymer. האסטרטגיה השנייה היא הצמיחה של שכבה המטרו סריה (אחרי texturization משטח) צריך לשפר את פני השטח קשיות קורוזיה. משטח האנרגיה ירדו עם סרט חומצה סטארית.
העמידות של משטחים superhydrophobic נבדק על ידי בדיקת ההשפעה של חלקיקים, שחיקה מכאנית על ידי שחיקה לרוחב, עמידות UV-האוזון. המאפיינים האנטי-הציפוי היו שפוקדים אותו ללמוד את היכולת לבטל subcooled מים, הקפאת עיכוב, וקרח אדהזיה.
Introduction
היכולת של משטחים (SH) superhydrophobic להדוף מים הסיבה כי הם נמצאים באופן מסורתי כפי שהוצע פתרון למניעת הציפוי1,2. עם זאת, ישנם חששות לגבי ההתאמה של משטחים SH לסוכנים הציפוי נגד: 1) את העלויות הגבוהות של ייצור, superhydrophobicity 2) זה לא תמיד להוביל קרח-phobicity3ו- 3) העמידות המפוקפקת של SH משטחים4 . משטחים superhydrophobic להחזיק שני מאפיינים הקשורים שלהם הטופוגרפיה וכימיקלים הרכב5: הם קשים, עם מאפיינים טופוגרפיים מסוים; האנרגיה השטח שלהם הוא נמוך (ממהותם הידרופובי).
החספוס על משטח הידרופובי משמש כדי להפחית את היחס בין האזור ממש נוזלי אחיד ואזור קשר לכאורה. המים אינה באופן מלא בקשר עם המוצק בשל לוטוס אפקט6,7, כאשר הירידה נח או נע על גבי asperities פני השטח. בתרחיש זה, הממשק נוזלי אחיד פועל heterogeneously עם שני תחומים כימי: משטח מוצק עצמו ואת הבועות-האוויר זעירים לכוד בין המוצק מים8. מידת מים repellency מחובר את כמות האוויר לכודה כי המדבקות אוויר הן חלקה שלה זווית מגע פנימי היא 180°. מחקרים מדווחים על שילוב של מרקם פני שטח הירארכי עם מיקרו, ננו-asperities כמו האסטרטגיה האופטימלית כדי לספק יותר מאפיינים דוחה מים (יותר נוכחות של אוויר בהממשק מוצק נוזלי)9. עבור כמה מתכות, אסטרטגיה בעלות נמוכה כדי ליצור שני ברמת החספוס תכונות היא חומצה-איכול10,11. הליך זה משמש לעתים קרובות בענף. עם ריכוז החומצה מסוימים ושעות לתחריט, לפני שטח המתכת מגלה בצבעוניות הירארכי נאותה. באופן כללי, חספוס ממוטבת על ידי משתנה ריכוז החומצה, תחריט זמן או בשני12. האנרגיה השטח של מתכות הוא גבוה ומחייב מסיבה זו, הזיוף של משטחי מתכת דוחה מים hydrophobization מאוחר יותר.
Hydrophobization מושגת בדרך כלל על ידי הסרט הידרופובי דפוזיציה בשיטות שונות: silanization10,13, ציפוי מח ש14, ספין-ציפוי15, ריסוס16 או פלזמה-התצהיר17 . Silanization כבר המוצע18 כאחת הכלי המבטיחים ביותר לשיפור העמידות הנמוכה של משטחים SH. שלא כמו טכניקות לעדות אחרות, תהליך silanization מבוסס על קשר קוולנטי בין הקבוצות סי-או עם קבוצות הידרוקסיל משטח המצע מתכת10. החיסרון של תהליך silanization הוא הצורך עבור ההפעלה הקודמת של המצע מתכת כדי ליצור קבוצות הידרוקסיל מספיק עבור רמה גבוהה של כיסוי ואחידות. אסטרטגיה אחרת הציעה לאחרונה עמיד לייצר משטחים superhydrophobic הוא השימוש של ציפויים נדיר-earth19,20. יש ציפויים המטרו סריה שני המאפיינים להצדיק שימוש זה: הם יכולים להיות מהותית הידרופובי21, והם חזקים מכנית, כימית. בפרט, היא אחת הסיבות החשובות ביותר למה הם נבחרו כמו ציפוי המגן שלהם יכולות הגנה מפני שיתוך20.
כדי לייצר משטחי מתכת SH לטווח ארוך, נחשבים בשני נושאים: לא נגרם נזק שהרקמה החיצונית, הסרט/ציפוי הידרופובי חייב להיות מעוגן אל המצע. משטחי נחשפים בדרך כלל ללבוש מקורו מאת לרוחב שחיקה או חלקיק ההשפעה4. אם asperities פגומים, water-repellency עשוי להיות לצמצמה. תחת בסביבות קיצוניות, ציפוי הידרופובי יוסרו חלקית מפני השטח או עשויים להיות מושפלת באופן כימי על ידי חשיפה UV, לחות או קורוזיה. העיצוב של ציפוי עמיד של משטחים SH הוא אתגר חשוב לקבלת ציפוי והנדסה משטח.
מתכות, אחת הדרישות התובעניות ביותר היא כי היכולת האנטי-הציפוי מבוסס על שלושה היבטים מחוברים22 כמופיע באיור1: subcooled מים repellency, עיכוב קופא, והצמדות נמוך קרח-. הציפוי החיצונית מתרחשת כאשר subcooled מים, בדרך כלל גשם יורד, בא במגע עם משטח יציב, במהירות קפוא ידי התגרענות הטרוגנית23. הקרח בנוי (הר) מחובר היטב אל פני השטח. לכן, הצעד הראשון כדי למנוע הציפוי היא לצמצם את הזמן קשר מוצק-מים. אם פני השטח superhydrophobic, טיפות גשם עלול להיות מגורש מן השטח לפני ההקפאה. בנוסף, הוכח כי, בתנאים לח, משטחים עם זווית קשר גבוהה לעכב קפוא ביעילות רבה יותר מאשר אלה עם זווית מגע נמוכה24. מסיבות אלו שני, SH משטחים הם משטחים המתאים ביותר כדי להמתיק את הציפוי. עם זאת, החיים של משטחים superhydrophobic עשוי להיות נקודת מפתח מאז תנאים הציפוי הם בדרך כלל אגרסיבי25. מספר מחקרים הגיעו למסקנה כי SH משטחים אינם הבחירה הטובה ביותר עבור הפחתת קרח אדהזיה26. פעם אחת הצורות קרח על פני השטח, זה נשאר בחוזקה צמוד בשל פני השטח asperities. החספוס מגבירה את איזור קרח-משטח המגע, asperities לשמש סוכני שלובים26. השימוש של משטחים SH עמיד מומלץ להימנע הציפוי אם אין עקבות של קרח שכבר קיים על פני השטח.
בעבודה זו, אנו מציגים מספר פרוטוקולים לייצר משטחים SH עמיד על מצעים מתכת. אנו משתמשים אלומיניום (Al) כמו המצע כי זה נמצא בשימוש נרחב בתעשייה, שילוב של תכונות האנטי-הציפוי רלוונטי במיוחד עבור יישומים מסוימים (מתקני נופש הסקי, אווירונאוטיקה, וכד’). אנו מכינים שלושה סוגי משטחים: משטח Al מרקם מצופה fluoropolymer ציפוי, עם מרקם Al משטח silanized עם fluorosilane, bilayer חומצה סטארית-המטרו סריה על המצע באל. דומה טכניקות17,27,28,29 לספק 100-300 ננומטר הסרט עוביים או אפילו חד שכבתי סרטים. עבור כל משטח, אנו נמדדים תכונותיהם הרטבה, ערכו בדיקות שחיקה. לבסוף, ניתחנו את ביצועיהם האנטי-הציפוי באמצעות שלוש בדיקות שנועדו לחקור באופן עצמאי את שלושה מאפיינים המוצג באיור1.
פרוטוקול שלנו מבוסס על ערכת באיור 2. ברגע משטחים SH Al מוכנים, הרטבה תכונותיהם ואת הטופוגרפיה מנותחים כדי לקבוע repellency מאפיינים ותכונות חספוס שלהם. המאפיינים הרטבה מנותחים על ידי הקפיץ שחרור ניסויים, אשר היא טכניקה מחובר את הידבקות מתיחה של מים. מאז התצפית של ירידה קופץ נדרש, טכניקה זו מתאימה רק משטחים superhydrophobic13. עבור כל טיפול פני שטח, הכנו דגימות לפחות ארבעה פאשה, הציפוי נגד ודוגמאות ארבע אחר לבצע את בדיקות עמידות. הנזק שנגרם לאחר כל מבחן עמידות נותחה על ידי מדידת אובדן להרטיב מאפיינים ותכונות חספוס. עמידות דומה בדיקות כדי המוצע אלה בעבודה זו שימשו לאחרונה27,אחרים משטחי מתכת30.
בנוגע. הניסויים האנטי-הציפוי מטרת מחקר זה היא לקבוע אם השימוש של משטחים SH Al המיוצר נוחים לשימוש כסוכני אנטי הציפוי. לפיכך, ניתחנו, לשם השוואה, הביצועים של שליטה שתי דוגמאות: א) דוגמה באל שלא טופלו (דוגמה הידרופילית חלקה), b) hydrophobized אבל מדגם לא עם מרקם (חלק הידרופובי דוגמה). לאותה מטרה, השימוש עם מרקם אבל לא hydrophobized השטח עשוי להיות מעניין. למרבה הצער, השטח הזה הוא מאוד wettable, לא ניתן לבצע אנטי-ציפוי בדיקות בשבילם.
Protocol
Representative Results
Discussion
בנייר זה, נדגים אסטרטגיות כדי לייצר משטחים דוחה מים על אלומיניום סובסטרטים. בנוסף, אנו מראים שיטות לאפיון הרטבה המאפיינים שלהם, חספוס, עמידות וביצועים ציפוי אנטי.
כדי להכין את המשטחים SH, השתמשנו שתי אסטרטגיות. האסטרטגיה הראשונה שילב את מידת החספוס הנכונה להשיג את המבנה ההיר?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה נתמך על ידי הפרוייקטים: MAT2014-60615-R ו- MAT2017-82182-R במימון סוכנות מחקר המדינה (ההזמנות) ואת אירופה אזורי פיתוח קרן (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 |
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).
