防氷用超撥水の金属表面の作製

水をはじく超撥水 (SH) 面の能力は、彼らは伝統的にアイシング^1,2を防ぐソリューションとして提案したという理由です。ただし、防氷剤 SH 表面の適合性について懸念があります: 1) 生産の高コスト、2) その多次元センサーデー常にもたらさない氷 phobicity³、および 3) SH の疑わしい耐久性面⁴.超撥水表面の地形と化学組成⁵に関連する 2 つのプロパティを保持する: 彼らは特定の地形の特徴とラフ表面エネルギーは (本質的に疎水性) が低い。

疎水性表面粗さは、実質固体液体領域と見かけの接触面積比を減らすのに役立ちます。水は完全にロータス効果^6、7のための固体と接触してドロップかかっているか表面の凹凸の上に移動します。このシナリオでは、固液界面機能化学の 2 つのドメインを持つ不均一: 固体間自体固体表面や小さな気泡に閉じ込められた水の⁸。撥水性の度合いは、空気のパッチは滑らかであり、その固有の接触角は 180 ° から閉じ込められた空気の量に接続されます。いくつかの研究報告より撥水特性 (固液界面での空気の大きい存在)⁹を提供するために最適な戦略としてマイクロとナノ アスペリティ階層表面テクスチャの定款です。粗さ 2 つのレベルの機能を作成する低価格戦略は、いくつかの金属酸エッチング^10,11です。この手順は、業界でよく使用されます。特定の酸の濃度とエッチング時の金属面は適切な階層的粗さを明らかに.一般に、表面あれの酸濃度、エッチング時間、または両方の¹²を変化させることにより最適化されています。金属の表面エネルギーが高く、このため、撥水加工の金属表面の作製が必要です後で hydrophobization。

Hydrophobization は一般的に異なる方法を用いた疎水性膜の作製によって達成される: シリル化^10,13、ディップ コーティング¹⁴、スピン コーティング¹⁵、¹⁶またはプラズマ蒸着法¹⁷を噴霧.シリル化は、SH 表面の低耐久性を向上させるための最も有望な手段の一つとして提案された¹⁸をされています。その他の蒸着技術とは異なり、シリル化プロセスは、金属基材¹⁰の表面水酸基をもつ Si オハイオ州グループ間の共有結合に基づいています。シリル化プロセスの欠点は、高度なカバレッジと均一性の十分なヒドロキシル グループを作成する金属基板の前にアクティブ化が必要です。食材つきにくい超撥水表面に最近提案したもう一つの戦略は、希土類コーティング^19,20使用です。セリア コーティングこの使用を正当化する 2 つのプロパティがあります: 彼らは本質的に疎水性²¹をすることができます、機械的にそして化学的に堅牢な。特に、保護コーティング材として選んだ彼らが最も重要な理由の 1 つは、腐食・防食能力²⁰です。

長期的な件名標目等金属表面を生成する 2 つの問題がある: 表面のテクスチャを破損していない必要がありますと、疎水性の膜を基板にしっかり固定しなければなりません。表面は通常外側摩耗や粒子への影響⁴で発行された着用に公開されます。アスペリティ領域が破損している場合は、撥を大幅に減るかもしれない。極端な環境下で疎水性のコーティングは表面から部分的に削除可能性があります。 または化学的に紫外線暴露、湿度や腐食によって低下する可能性があります。耐久性のある SH 表面コーティングの設計は、コーティングと表面工学のための重要な課題です。

金属、最も要求の厳しい要件の 1 つは、図 1に示すように、防氷能力が 3 つの相互接続された側面²²に基づいていること: サブクール撥水性、凍結遅延、低の氷結。屋外のアイシングは、サブクール水、通常雨が値下がりしました、固体表面と接触、急速に不均一核形成²³によって固定されて。形成された氷 (樹氷) は、表面にしっかりと添付されます。したがって、アイシングを避けるために最初のステップは、固体水の接触時間を減らすことです。表面は超撥水、雨の滴が凍結する前に表面から追放可能性があります。さらに、湿気のある条件の下で高い接触角と表面遅延低接触角²⁴ものよりも効率的に凍結が実証されています。これらの 2 つの理由から、SH 表面はアイシングを軽減するために最も適切なサーフェスです。しかし、超撥水表面の有効期間は着氷は通常積極的な²⁵重要なポイントかもしれません。いくつかの研究は、SH 表面が氷付着²⁶を減らすための最良の選択は結論付けています。一度表面の氷の形態、表面凹凸によりしっかりと接続されたまま。粗氷表面の接触面積が増加し、アスペリティ連動エージェント²⁶として。氷表面の存在の痕跡がある場合は、アイシングを避けるために耐久性のある SH 表面の使用お勧めします。

この作品は、金属基板上に耐久性のある SH 表面を生成するいくつかのプロトコルを提案する.我々 は業界で広く使用されて、防氷プロパティの結合が特定のアプリケーション (スキー リゾート施設、航空、等) のために特に関連は基板としてアルミニウム (Al) を使用します。我々 は 3 つのタイプの表面を準備: コーティング、fluorosilane と Al 基板上のセリア ステアリン酸二分子膜テクスチャ Al 表面処理フッ素樹脂をコーティングした質感のアル。類似技術^17,27,28,29は、100-300 nm の膜厚やも単分子膜を提供します。各表面の濡れ性を測定し、, 摩耗試験を実施.最後に、独立して、3 つのプロパティは、図 1に示すようにプローブを目指す 3 つのテストを使用して、防氷パフォーマンスを行った。

我々 のプロトコルは、図 2に示すスキームに基づいています。SH Al 表面が準備されると、彼らの濡れ性と地形は、撥水性の特性と粗さの機能を決定する分析されます。濡れ性は、水の引張接着強度に接続技術である降下実験をバウンスさせることによって分析されます。ドロップ バウンスの観察が必要である場合、この手法は超撥水表面¹³に適していますのみ。それぞれの表面処理の防氷テストを実施する少なくとも 4 つのサンプルと耐久性のテストを実行する別の 4 つのサンプルを作製しました。各耐久試験後の被害をぬれ特性と粗さの機能の損失を測定することにより調べた。似たような耐久性は、この作品のものが最近他金属表面^27,30使用された提案をテストします。

防氷テストに関する本研究の目的は作り出された SH Al 表面の使用は、防氷剤として便利かどうかを決定するためです。したがって、分析した比較は、2 つのコントロールのサンプルのパフォーマンス:) 未処理アル サンプル (滑らかな親水性) と b) の hydrophobized がないテクスチャ サンプル (滑らかな疎水性)。同じ目的のために、テクスチャの使用がない hydrophobized 表面は、関心のあるかもしれない。残念ながら、この表面は非常に水和剤、それらの防氷テストを実行できません。