Fabricación de superficies metálicas superhidrófobos para aplicaciones anti-hielo

La capacidad de superficies (SH) superhidrófobos para repeler el agua es la razón por la que tradicionalmente se proponen como una solución para evitar la formación de hielo^1,2. Sin embargo, hay preocupaciones acerca de la idoneidad de las superficies SH para agentes anti-hielo: 1) los altos costos de producción, 2) que superhydrophobicity no siempre conducen a hielo-phobicity³y 3) la durabilidad cuestionable de la SH superficies⁴ . Superficies superhidrófobos sostenga dos propiedades relacionadas con su composición química y topografía⁵: son ásperas, con características topográficas particulares; y su energía superficial es baja (intrínsecamente hidrofóbico).

La rugosidad de una superficie sirve para reducir la relación entre el área real sólido-líquido y el área aparente de contacto. El agua no está completamente en contacto con el sólido por el efecto de loto^6,7, cuando la gota se apoya o se mueve sobre las asperezas superficiales. En este escenario, la interfaz sólido-líquido actúa heterogéneo con dos dominios de química: la misma superficie sólida y las diminutas burbujas de aire atrapadas entre el sólido y el agua⁸. El grado de repelencia al agua está conectado con la cantidad de aire atrapado porque los parches de aire son lisos y su ángulo de contacto intrínseco es 180°. Algunos estudios reportan la incorporación de una textura superficial jerárquica con micro y nano-asperezas como la estrategia óptima para proporcionar mejores propiedades repelente al agua (a mayor presencia de aire en la interfase sólido-líquido)⁹. Para algunos metales, una estrategia de bajo costo para crear características de rugosidad de dos niveles es grabado ácido^10,11. Este procedimiento se utiliza con frecuencia en la industria. Con ciertas concentraciones de ácido y tiempos de grabado, la superficie del metal revela la rugosidad jerárquica adecuada. En general, la rugosidad superficial se ha optimizado mediante la variación de la concentración de ácido, tiempo de grabado o ambos¹². La energía superficial de los metales es alta y por esta razón, la fabricación de las superficies de metal impermeables requiere hydrophobization más adelante.

Hydrophobization generalmente se obtiene por deposición de película hidrofóbica utilizando diferentes métodos: silanización^10,13, inmersión¹⁴, spin-coating¹⁵,¹⁶ o deposición de plasma¹⁷ de rociadura . Silanización ha sido propuesto¹⁸ como una de las herramientas más prometedoras para mejorar la baja durabilidad de las superficies SH. A diferencia de otras técnicas de deposición, el proceso de silanización se basa en un enlace covalente entre los grupos Si-OH con los grupos hidroxilos superficiales del sustrato metálico¹⁰. Una desventaja del proceso de silanización es la necesidad de la previa activación del sustrato metálico para crear suficientes grupos del oxhidrilo por un alto grado de cobertura y uniformidad. Otra estrategia propuesta recientemente para superficies superhidrófobos productos resistentes es el uso de capas de tierra rara^19,20. Ceria capas tienen dos propiedades que justifican este uso: pueden ser intrínsecamente hidrofóbico²¹, y son químicamente y mecánicamente robustas. En particular, una de las razones más importantes por qué se eligen como recubrimientos protectores es su capacidad de protección contra la corrosión²⁰.

Para producir las superficies de metal de SH de larga duración, se consideran dos aspectos: la textura de la superficie no debe ser dañada, y la película/de la capa hidrofóbica deben estar firmemente anclada al sustrato. Las superficies normalmente están expuestas al desgaste originado por lateral impacto abrasión o partícula⁴. Si se dañan las asperezas, el agua-repellency puede reducirse sustancialmente. En ambientes extremos, la capa hidrofóbica puede eliminarse parcialmente de la superficie o puede degradarse químicamente por la exposición UV, la humedad o corrosión. El diseño de recubrimientos de superficies SH durables es un reto importante para la capa y la ingeniería de superficies.

Para metales, uno de los más exigentes requisitos es que la capacidad de anti-hielo está basada en tres aspectos interconectados²² tal como se ilustra en la figura 1: subcooled repelencia al agua, congelación demora y baja de la adherencia de hielo. Formación de hielo al aire libre ocurre cuando subcooled agua, típicamente lluvia gotas, entra en contacto con una superficie sólida y es rápidamente congelado por nucleación heterogénea²³. El hielo formado (escarcha) se une firmemente a la superficie. Así, el primer paso para evitar la formación de hielo es reducir el tiempo de contacto sólido-agua. Si la superficie es superhidrófobos, gotas de lluvia pueden ser expulsadas de la superficie antes de congelarlos. Además, se ha demostrado que, bajo condiciones húmedas, las superficies con un alto ángulo de contacto retrasan más eficientemente que aquellas con un bajo ángulo de contacto²⁴de congelación. Por estas dos razones, las superficies de la SH son las superficies más adecuadas para mitigar la formación de hielo. Sin embargo, la vida útil de las superficies superhidrófobos puede ser un punto clave ya que condiciones hielo son típicamente agresivas²⁵. Algunos estudios han concluido que las superficies de la SH no son la mejor opción para disminuir la adherencia de hielo²⁶. Una vez las formas del hielo en la superficie, se mantiene firmemente unido por asperezas superficiales. La rugosidad aumenta el área de contacto de superficie de hielo y las asperezas actúan como enclavamiento agentes²⁶. Se recomienda el uso de superficies durables de SH para evitar formación de hielo si hay no hay rastros de hielo ya presente en la superficie.

En este trabajo, presentamos varios protocolos para producir superficies durables de SH en sustratos metálicos. Utilizamos aluminio (Al) como el sustrato porque es ampliamente utilizado en industria, y la incorporación de anti-hielo propiedades es particularmente relevante para ciertas aplicaciones (instalaciones de estaciones de esquí, aeronáutica, etc.). Preparamos tres tipos de superficies: Al superficie recubierta de un fluoropolímero de la capa, una textura silanizada superficial con un fluorosilane y una bicapa ácida esteárico ceria en un sustrato de Al. Similares técnicas^17,27,28,29 proporcionan espesores de película de 100 a 300 nm o incluso las películas monocapa. Para cada superficie, mide sus propiedades de adherencia de soldadura y pruebas de desgaste. Por último, hemos analizado su rendimiento anti-hielo utilizando tres pruebas destinadas a investigar independientemente las tres propiedades que se muestra en la figura 1.

Nuestro protocolo se basa en el esquema que se muestra en la figura 2. Una vez que se preparan las superficies Al SH, se analizan sus propiedades humectantes y topografía para determinar sus características de rugosidad y propiedades de repelencia. Las propiedades de adherencia de soldadura son analizadas por rebote experimentos de la gota, que es una técnica ligada a la adherencia de agua resistencia a la tracción. Ya que se requiere la observación de la gota rebota, esta técnica sólo es adecuada para superficies superhidrófobos¹³. Para cada tratamiento superficial, preparamos por lo menos cuatro muestras para llevar a cabo las pruebas de anti-hielo y otro cuatro para llevar a cabo las pruebas de durabilidad. El daño causado después de cada prueba de durabilidad se analizó mediante la medición de la pérdida de adherencia de soldadura características de rugosidad y propiedades. Pruebas de durabilidad similar a los propuestos en este trabajo han utilizado recientemente para otras superficies metálicas^27,30.

En cuanto a las pruebas de anti-hielo, el objetivo de este estudio es determinar si el uso de las superficies Al SH producidos son convenientes como agentes anti-hielo. Por lo tanto, hemos analizado, para la comparación, el rendimiento de muestras de control de dos: a) una muestra de Al no tratada (Lisa muestra hidrofílica) y b) un hydrophobized pero no textura muestra (muestra hidrofóbica lisa). Para el mismo propósito, el uso de una textura, pero no hydrophobized de superficie puede ser de interés. Desafortunadamente, esta superficie es muy humectable y anti-hielo pruebas no pueden realizarse para ellos.