Fabricação de superfícies de Metal Superhydrophobic para aplicações antigelo

A capacidade de superhydrophobic (SH) de superfícies para repelir a água é a razão que eles são tradicionalmente propostos como uma solução para evitar o gelo^1,2. No entanto, existem preocupações sobre a adequação das superfícies SH para agentes antigelo: 1) os elevados custos de produção, 2) que superhydrophobicity nem sempre leva ao gelo-phobicity³e 3) a durabilidade questionável do SH superfícies⁴ . Superfícies superhydrophobic segurar duas propriedades relacionadas à sua composição química e topografia⁵: eles são difíceis, com características topográficas; e sua energia de superfície é baixa (intrinsecamente hidrofóbico).

A rugosidade sobre uma superfície hidrofóbica serve para reduzir a proporção entre a área real de sólido-líquido e área de contato aparente. A água não está totalmente em contato com o sólido devido a Lótus efeito^6,7, quando a gota repousa ou se move para as superfície asperezas. Nesse cenário, a interface sólido-líquido age forma heterogénea com dois domínios químicos: a própria superfície sólida e as pequenas bolhas de ar aprisionado entre o sólido e água⁸. O grau de repelência de água está ligado à quantidade de ar aprisionado porque os patches de ar são lisos e seu ângulo de contato intrínseco é 180°. Alguns estudos relatam a incorporação de uma textura de superfície hierárquica com micro e nano-asperezas como a melhor estratégia para fornecer melhor Propriedades repelentes de água (maior presença de ar na interface sólido-líquido)⁹. Para alguns metais, uma estratégia de baixo custo para criar recursos de dois níveis de aspereza é condicionamento ácido^10,11. Este procedimento é frequentemente usado na indústria. Com certas concentrações de ácido e vezes de gravura, a superfície de metal revela a aspereza hierárquica adequada. Em geral, a rugosidade da superfície é otimizado pela variação da concentração do ácido, tempo de gravura ou ambos¹². A energia de superfície de metais é alta e por esta razão, a fabricação de superfícies de metal à prova d’água exige hydrophobization mais tarde.

Hydrophobization geralmente é conseguido através da deposição de filmes hidrofóbico usando métodos diferentes: silanização^10,13, revestimento de mergulho¹⁴, revestimento de rotação¹⁵,¹⁶ ou plasma-deposição¹⁷ de pulverização . Silanização tem sido proposto¹⁸ como uma das mais promissoras ferramentas para melhorar a baixa durabilidade das superfícies SH. Ao contrário de outras técnicas de deposição, o processo de silanização baseia-se uma ligação covalente entre os grupos Si-OH com os grupos hidroxila de superfície do substrato metálico¹⁰. Uma desvantagem do processo de silanização é a necessidade de ativação anterior da carcaça do metal para criar suficientes grupos hidroxila por um elevado grau de cobertura e uniformidade. Outra estratégia proposta recentemente para produzir resistentes superhydrophobic superfícies é o uso de revestimentos-raras^19,20. Ceria revestimentos têm duas propriedades que justificam este uso: podem ser intrinsecamente hidrofóbico²¹, e eles são robustos mecanicamente e quimicamente. Em particular, uma das mais importantes razões por que eles são escolhidos como revestimentos protetores é suas habilidades de proteção contra a corrosão²⁰.

Para produzir superfícies metálicas de SH de longa duração, consideram-se duas questões: a textura da superfície não deve estar danificada, e o filme/revestimento hidrofóbico devem ser firmemente ancorado ao substrato. Superfícies são normalmente expostas a desgaste originado pelo lateral abrasão ou partícula impacto⁴. Se as asperezas estão danificadas, a repelência à água pode ser substancialmente reduzida. Em ambientes extremos, o revestimento hidrofóbico pode ser parcialmente removido da superfície ou pode ser quimicamente degradado pela exposição UV, umidade ou corrosão. O projeto de revestimentos de superfícies SH duráveis é um desafio importante para revestimento e engenharia de superfície.

Para metais, um dos requisitos mais exigentes é que a capacidade do anti-gelo é baseada em três aspectos interligados²² , conforme ilustrado na Figura 1: sub-resfriada repelência de água, atraso de congelação e baixa adesão-gelo. Crosta de gelo ao ar livre ocorre quando sub-resfriada água, tipicamente chuva cai, entra em contacto com uma superfície sólida e é rapidamente congelado por nucleação heterogénea²³. O gelo formado (balada) é firmemente presa à superfície. Assim, o primeiro passo para evitar a formação de gelo é reduzir o tempo de contato sólido-água. Se a superfície for superhydrophobic, gotas de chuva podem ser expulso da superfície antes do congelamento. Além disso, está provado que, sob condições de umidade, as superfícies com um ângulo de contato alta atrasam congelando mais eficientemente do que aqueles com um baixo ângulo de contato²⁴. Por estas duas razões, SH superfícies são as superfícies mais adequadas para atenuar a formação de gelo. No entanto, a vida útil das superfícies superhydrophobic pode ser um ponto-chave desde que as condições de gelo são normalmente agressivo²⁵. Alguns estudos concluíram que o SH superfícies não são a melhor escolha para diminuir a aderência de gelo²⁶. Uma vez as formas de gelo na superfície, ele permanece firmemente anexado devido à superfície asperezas. A rugosidade aumenta a área de contato da superfície do gelo e as asperezas atuam como bloqueio agentes²⁶. O uso de superfícies SH duráveis é recomendado para evitar formação de gelo se não houver nenhum vestígio de gelo já presente na superfície.

Neste trabalho, apresentamos vários protocolos para produzir superfícies duráveis de SH em substratos metálicos. Nós usamos o alumínio (Al) como o substrato, porque é amplamente utilizado na indústria, e a incorporação de propriedades antigelo é particularmente relevante para determinadas aplicações (instalações de estâncias de esqui, aeronáutica, etc). Preparamos três tipos de superfícies: uma superfície texturizada de Al revestida com um fluoropolímero revestimento, uma silanizada superfície texturizada de Al com uma fluorosilane e uma BICAMADA de ácido esteárico-ceria sobre um substrato de Al. Semelhantes técnicas^17,,^27,28,29 fornecer espessuras de película 100-300 nm ou até mesmo filmes de monocamada. Para cada superfície, podemos medir suas propriedades de umectação e conduziu testes de desgaste. Finalmente, analisamos seu desempenho anti-gelo usando três testes objetivou investigar independentemente as três propriedades mostradas na Figura 1.

Nosso protocolo baseia-se no esquema mostrado na Figura 2. Uma vez que as superfícies SH Al são preparadas, suas propriedades de umectação e topografia são analisados para determinar suas propriedades de repelência e características de aspereza. As propriedades umectantes são analisadas saltando experimentos de queda, que é uma técnica que está conectada para a adesão à tração de água. Desde que a observação de rejeições de gota é necessária, esta técnica só é adequada para superfícies superhydrophobic¹³. Para cada tratamento de superfície, estamos preparados pelo menos quatro amostras para realizar os testes de antigelo e outro quatro amostras para realizar os testes de durabilidade. Os danos causados após cada teste de durabilidade foi analisado medindo a perda da molhadela Propriedades e características de aspereza. Testes de durabilidade similar para a proposta queridos neste trabalho foram usados recentemente para outras superfícies metálicas^27,30.

No que se refere os testes antigelo, o objetivo deste estudo é determinar se o uso das superfícies SH Al produzidos são convenientes como agentes antigelo. Portanto, foram analisados, para comparação, o desempenho de amostras de controlo de duas: a) uma amostra de Al não tratada (Lisa amostra hidrofílica) e b) um hydrophobized mas não texturizada amostra (amostra hidrofóbica suave). Para a mesma finalidade, o uso de uma textura, mas não hydrophobized de superfície pode ser de interesse. Infelizmente, esta superfície é extremamente molhável e não podem efectuar-se ensaios anti-gelo para eles.