Tillverkning av superhydrofobt metallytor för förhindra isbildning applikationer

Summary

Vi illustrerar flera metoder att producera superhydrofobt metallytor och utforska deras hållbarhet och förhindra isbildning egenskaper.

Abstract

Flera sätt att producera superhydrofobt metallytor presenteras i detta arbete. Aluminium valdes som metall substratet på grund av dess omfattande användning i industrin. Vätbarheten hos preparat av den producerade ytan analyserades av studsar droppe experiment och topografin analyserades av konfokalmikroskopi. Dessutom visar vi olika metoder att mäta dess hållbarhet och förhindra isbildning egenskaper. Superhydrofobt ytor håller en särskild struktur som måste bevaras för att hålla deras water-repellency. För att tillverka slitstarka ytor, följde vi två strategier för att införliva en resistent konsistens. Den första strategin är en direkt integrering av ojämnheter på metall substratet av syra etsning. Efter denna yta texturization minskade ytan energi med silanisering eller fluorpolymer nedfall. Den andra strategin är tillväxten av ett ceria lager (efter surface texturization) som bör förbättra ytans hårdhet och korrosion motståndet. Ytan energi minskade med stearinsyra film.

Hållbarheten hos de superhydrofobt ytorna blev undersökt av en partikel Slagprov, mekaniskt slitage av laterala nötning och UV-ozon motstånd. Förhindra isbildning egenskaper undersöktes genom att studera möjligheten att upphäva underkyld vatten, frysning dröjsmål och is vidhäftning.

Introduction

Superhydrofobt (SH) ytor förmåga att stöta bort vatten är anledningen att de traditionellt föreslås som en lösning för att förhindra isbildning^1,2. Det finns dock farhågor om lämpligheten hos SH ytor för att förhindra isbildning agens: 1) höga kostnader för produktion, 2) att superhydrophobicity leder inte alltid till is-phobicity³och 3) tveksam hållbarhet hos SH ytor⁴ . Superhydrofobt ytor håller två egenskaper relaterade till deras topografi och kemiska sammansättning⁵: de är grov, med topografiska särdrag; och deras ytenergi är låg (egensäkra hydrofoba).

Ojämnheter på en hydrofoba yta tjänar till att minska kvoten mellan verklig fast-flytande området och skenbara kontaktytan. Vattnet är inte helt i kontakt med fast på grund av lotus effekt^6,7, när drop vilar eller flyttas till de yta asperities. I det här fallet det fast-flytande gränssnittet fungerar heterogeneously med två kemiska domäner: solid yta själv och de små luftbubblorna fastnar mellan fast och vatten⁸. Graden av vattenavvisande är ansluten till mängden instängd luft eftersom luften patchar är släta och dess inneboende kontaktvinkel är 180°. Vissa studier anmäla införlivandet av en hierarkisk ytstruktur med mikro- och nano-asperities som den optimala strategin att ge bättre vattenavvisande egenskaper (större närvaro av luft vid fast-flytande gränssnitt)⁹. För vissa metaller är en låg kostnad strategi för att skapa två-nivå strävhet funktioner syra-etsning^10,11. Detta förfarande används ofta inom industrin. Med viss syra koncentrationer och etsning gånger avslöjar metallytan korrekt hierarkiska ojämnheter. I allmänhet optimeras den ytan uppruggning genom att variera syrakoncentration, etsning tid eller båda¹². Ytan energi av metaller är hög och därför kräver tillverkning av vattenavvisande metallytor senare hydrophobization.

Hydrophobization uppnås vanligen genom hydrofoba filmen nedfall med olika metoder: silanisering^10,13, Dopplackering¹⁴, spin-beläggning¹⁵, sprutning¹⁶ eller plasma-nedfall¹⁷ . Silanisering varit föreslagna¹⁸ som en av de mest lovande verktyget för att förbättra låg hållbarhet hos SH ytor. Till skillnad från andra nedfall tekniker bygger silanisering processen på en kovalent bindning mellan Si-OH grupper med surface hydroxylgrupperna av metallsubstrat¹⁰. En nackdel med silanisering processen är behovet av föregående aktivering av metallsubstrat skapa tillräckligt hydroxylgrupper för en hög grad av täckning och enhetlighet. En annan strategi föreslog nyligen att producera resistenta superhydrofobt ytor är användningen av sällsynta jordartsmetaller beläggningar^19,20. Ceria beläggningar har två egenskaper som motiverar denna användning: de kan vara intimt hydrofoba²¹, och de är mekaniskt och kemiskt stabil. I synnerhet är en av de viktigaste anledningarna till varför de är utvalda som skyddande beläggningar sin korrosionsskydd förmågor²⁰.

För att producera hållbara SH metallytor, två frågor anses: ytstruktur får inte vara skadad och den hydrofoba film/beläggningen måste vara fast förankrade till underlaget. Ytor är vanligtvis utsätts för slitage har sitt ursprung i laterala nötning eller partikel effekter⁴. Om asperities är skadade, minskas water-repellency avsevärt. Under extrema miljöer, hydrofoba beläggning kan vara delvis avlägsnas från ytan eller kemiskt kan brytas ned av UV-exponering, luftfuktighet eller korrosion. Utformningen av hållbara SH ytor beläggningar är en viktig utmaning för beläggning och ytan teknik.

För metaller, är ett av de mest krävande kraven att förhindra isbildning förmåga bygger på tre sammanlänkade aspekter²² som illustreras i figur 1: underkylda vattenavvisning, frysning dröjsmål och låg isen-vidhäftning. Utomhus isbildning uppstår när underkylda vatten, vanligtvis regn droppar, kommer i kontakt med en fast yta och är snabbt frusen av heterogen nukleation²³. Bildade isen (rime) är ordentligt ansluten till ytan. Således är det första steget för att undvika isbildning att minska kontakttiden solid-vatten. Om ytan är superhydrofobt, kan regndroppar utvisas från ytan före frysning. Det har dessutom visat att ytor med en hög kontaktvinkel under fuktiga förhållanden, fördröja frysning mer effektivt än de dem med en låg kontaktvinkel²⁴. Av dessa två skäl är SH ytor de mest lämpliga ytorna för att mildra isbildning. Livslängden på superhydrofobt ytor kan emellertid en viktig punkt eftersom isbildningsförhållanden är vanligtvis aggressiva²⁵. Vissa studier har kommit fram att SH ytor inte är det bästa valet för fallande is vidhäftning²⁶. En gång den is bildar på ytan, det stannar stadigt fäst på grund av ytan asperities. Ojämnheten ökar kontaktytan is-ytan och asperities fungera som samverkande agenter²⁶. Användning av hållbara SH ytor rekommenderas att undvika isbildning om det inte finns några spår av is redan finns på ytan.

I detta arbete presenterar vi flera protokoll för att producera hållbara SH ytor på metall substrat. Vi använder aluminium (Al) som substratet eftersom det är allmänt används i industrin, och införlivandet av förhindra isbildning boenden är särskilt relevant för vissa applikationer (ski resorts faciliteter, flygteknik, etc.). Vi förbereder tre typer av ytor: en strukturerad Al yta belagd med en fluorpolymer beläggning, en strukturerad Al ytan silaniserad med en fluorosilane och en ceria-stearinsyra syra lipidens på en Al-substrat. Liknande tekniker^17,27,28,29 ger 100-300 nm filmar tjocklekar eller ens enskiktslager filmer. För varje yta, Vi mätte deras vätning egenskaper och genomfört slitage tester. Slutligen analyseras vi deras förhindra isbildning prestanda med hjälp av tre tester som syftar till att probe självständigt de tre egenskaperna som visas i figur 1.

Våra protokollet är baserat på den ordningen som visas i figur 2. När SH Al ytorna är förberett, analyseras deras vätning boenden och topografi för att avgöra deras avskräckning egenskaper och ojämnheter funktioner. Vätning egenskaper analyseras av studsar droppe experiment, som är en teknik som ansluten till vatten drag vidhäftningen. Eftersom observationen av droppe studsar krävs, är denna teknik endast lämplig för superhydrofobt ytor¹³. För varje ytbehandling förberett vi minst fyra prover att bedriva de anti glasyr testerna och en annan fyra prover att utföra testerna som hållbarhet. Skadorna efter varje hållbarhetsprovet analyserades genom att mäta förlusten av vätning boenden och ojämnheter funktioner. Liknande hållbarhet testar den föreslagna de i detta arbete användes nyligen för andra metallytor^27,30.

Om förhindra isbildning testerna, syftet med denna studie är att avgöra om användningen av de producerade SH Al ytorna är bekvämt som förhindra isbildning agenter. Därför vi analyserat, för jämförelse, utförandet av två kontrollprov: en) en obehandlad Al provet (slät hydrofil prov) och b) en hydrophobized men inte texturerat prov (slät hydrofoba prov). För samma ändamål, den användning av ett texturerat men inte hydrophobized yta kan vara av intresse. Tyvärr, denna yta är mycket hydrofila och förhindra isbildning tester inte kan utföras för dem.

Protocol

Obs: Protokollet följer den ordning som visas i figur 2. 1. provberedning Styckning och rengöring Använda en metall skjuvning, skär 250 x 250 mm x 0,5 mm ark av aluminium i 25 mm x 45 mm x 0,5 mm bitar.Obs: Särskild försiktighet måste iakttas när du använder den metalliska skjuvning och specialutbildning kan behövas. Ta bort skyddsfilmen som täcker ena sidan av provet och tvätta denna sida med cirka …

Representative Results

Vätning och råhet egenskaper av SH ytorna som användes i denna studie visas i figur 5. Det genomsnittliga antalet studsar mäts för varje prov visas i figur 5a och den genomsnittliga strävhet visas i Figur 5b. Det finns inget samband mellan råhet och fuktning boenden. Antalet studsar mätt för polytetrafluoreten belagda provet håller med Ce-SA provet. Men Ce-SA provet är klart grövre (~ 40%…

Discussion

I detta papper demonstrera vi strategier för att producera vattenavvisande ytor på aluminium substrat. Dessutom visar vi metoder för att karakterisera deras vätning boenden, strävhet, hållbarhet och förhindra isbildning prestanda.

För att förbereda SH ytorna, använde vi två strategier. Den första strategin införlivas korrekt strävhet graden för att uppnå den inneboende hierarkiska strukturen av SH ytor av syra etsning. Denna process är särskilt kritiskt, vilket kan kräva ytt…

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