Superhydrophobic Metal yüzeyler imalatı anti-buzlanma uygulamalar için
Summary
Biz çeşitli metodolojiler superhydrophobic metal yüzeyler üretmek için ve onların dayanıklılık ve anti-buzlanma özellikleri keşfetmek için göstermektedir.
Abstract
Superhydrophobic metal yüzeyler üretmek için çeşitli yollar, bu eser mevcuttur. Alüminyum sektöründe geniş kullanımı nedeniyle metal substrat olarak seçilmiştir. Wettability üretilen yüzey damla deneyler zıplayan tarafından analiz edildi ve topoğrafya confocal mikroskobu tarafından analiz edildi. Buna ek olarak, onun dayanıklılık ve anti-buzlanma özelliklerini ölçmek için çeşitli metodolojiler gösteriyoruz. Superhydrophobic yüzeyler onların water-repellency tutmak için korunmalı bir özel doku tutun. Dayanıklı yüzeyler imal etmek, dayanıklı bir doku dahil etmek için iki strateji takip ettik. Asit dağlama tarafından metal yüzey pürüzlülük doğrudan ortaklığın ilk stratejisidir. Bu yüzey texturization sonra yüzey enerji tarafından silanization veya floropolimer ifade azalma. Yüzey sertliği ve korozyon direnci artırmak bir ceria katman (sonra yüzey texturization) büyüme ikinci stratejisidir. Yüzey enerji Stearik asit film ile azalma.
Superhydrophobic yüzeyler dayanıklılığını bir parçacık çarpma testi, yanal aşınma ve UV-ozon koruması tarafından mekanik aşınma tarafından incelenmiştir. Anti-buzlanma özellikleri subcooled su, gecikme, buz gibi kaldırmayı ve buz yapışma yeteneği inceleyerek keşfedilmeyi.
Introduction
Superhydrophobic (SH) yüzeyler su püskürtmek yeteneği onlar geleneksel olarak krema1,2önlemek için bir çözüm olarak önerilmektedir nedenidir. Ancak, anti-buzlanma aracıları için SH yüzeyler uygunluğu konusunda endişeleri vardır: 1) yüksek üretim maliyetleri, 2) o superhydrophobicity değil her zaman yol buz-phobicity3ve 3) SH şüpheli dayanıklılığını yüzeyler4 . Superhydrophobic yüzeyler tutun onların topografya ve kimyasal kompozisyon-5ile ilgili iki özelliği: kaba belirli topografik özellikleri ile; ve onların yüzey enerji (özünde hidrofobik) düşük.
Hidrofobik bir yüzeyi pürüzlülük gerçek katı-sıvı ve belirgin kişi alanları arasındaki oranı azaltmak için hizmet vermektedir. Damla aittir veya yüzey asperities hamle su değil tam lotus etkisi6,7, nedeniyle katı ile temas halinde olacaktır. Bu senaryoda, katı-sıvı arayüzey ile iki kimyasal etki alanı heterogeneously davranır: katı yüzey ve minik hava kabarcıkları katı arasında sıkışmış ve su8. Su iticilik derecesini sıkışmış hava miktarı hava yamalar pürüzsüz ve içsel temas açısı 180 ° çünkü bağlı. Bazı çalışmalar hiyerarşik bir yüzey dokusunu mikro ve nano-asperities ile birleşme daha iyi su itici özellikleri (büyük varlığı hava vasıl katı-sıvı arayüzey)9sağlamak için en iyi strateji olarak rapor. Bazı metaller için iki düzey pürüzlülük özellikleri oluşturmak için bir düşük maliyetli asit dağlama10,11stratejidir. Bu yordam sektöründe sıkça kullanılır. Belirli asit konsantrasyonu ve gravür saatlerle, metal yüzey düzgün hiyerarşik pürüzlülük ortaya koymaktadır. Genel olarak, yüzey pürüzlenmesi asit konsantrasyonu, gravür gün veya her iki12değişen tarafından optimize edilmiştir. Metallerin yüzey enerji yüksektir ve bu nedenle, su itici metal yüzeyler imalatı daha sonra hydrophobization gerektirir.
Hydrophobization genellikle farklı yöntemler kullanarak hidrofobik film biriktirme tarafından elde edilir: silanization10,13, daldırma kaplama14, spin-kaplama1516 veya plazma biriktirme17 püskürtme, . Silanization SH yüzeylerin düşük dayanıklılık geliştirmek için en umut verici bir araç olarak önerilen18 oldu. Diğer ifade teknikleri farklı olarak, metal yüzey10yüzey hidroksil grupları ile Si-OH grupları arasında kovalent bağ silanization işleminin temel alır. Silanization sürecinin bir dezavantajı yüksek derecede kapsamı ve homojenlik için yeterli hidroksil grupları oluşturmak için önceki metal belgili tanımlık substrate aktivasyonu için ihtiyaç vardır. Başka bir strateji son zamanlarda önerilen üretmek dayanıklı superhydrophobic yüzeylere nadir-toprak kaplamalar19,20kullanmaktır. Ceria kaplama bu kullanım haklı iki özelliği var: Bunlar özünde hidrofobik21olabilir ve onlar mekanik ve kimyasal olarak sağlam. Özellikle, neden koruyucu kaplamalar seçilmiştir en önemli nedenlerinden biri onların korozyon koruma yetenekleri20‘ dir.
Uzun süreli SH metal yüzeyler üretmek iki konu kabul edilir: yüzey dokusunu değil zarar olmalı ve hidrofobik film/kaplama sıkıca substrat için bağlantılı gerekir. Yüzeyler genellikle lateral aşınma veya parçacık etkisi4tarafından kaynaklı giymek maruz kalır. Asperities bozuksa, water-repellency önemli ölçüde azaltılabilir. En uçtaki çevre altında hidrofobik kaplama kısmen yüzeyden kaldırılmış olabilir veya kimyasal olarak UV pozlama, neme veya korozyon tarafından bozulmuş. Dayanıklı SH yüzeyleri kaplama kaplama ve yüzey Mühendisliği için önemli bir sorun tasarımdır.
Metaller için en zorlu gereksinimleri anti-buzlanma yetenek Şekil 1‘ de gösterildiği gibi üç birbirine bağlı yönleri22 tarihinde dayanmaktadır biridir: subcooled su iticilik, dondurucu gecikme ve düşük buz-yapışma. Açık buzlanma oluşur subcooled su, genellikle yağmur, katı bir yüzeye temas geliyor ve damla hızla heterojen çekirdekleşme23tarafından dondurulmuş. Kurulan buz (in rime ı) yüzeye sıkıca bağlı. Böylece, buzlanma önlemek için ilk adım katı-su kişi zaman azaltmaktır. Yüzey superhydrophobic ise, yağmur damlaları donma önce yüzeyinden okuldan. Buna ek olarak, bu olanlar düşük kişi açılı24ile daha verimli bir şekilde buz gibi nemli koşullarda yüzeyler yüksek bir temas açısı ile gecikme, kanıtlanmıştır. Bu iki nedenden dolayı SH yüzeyler buzlanma azaltmak için en uygun yüzeyler vardır. Ancak, buzlanma koşullar genellikle agresif25olduğundan superhydrophobic yüzeyler ömrünü önemli bir nokta olabilir. Bazı çalışmalarda SH yüzeyler buz yapışma26azaltmak için en iyi seçenek değildir sonucuna varmıştır. Bir kez buz formları yüzeyi nedeniyle yüzey asperities sıkıca bağlı kalır. Buz-yüzey temas bölgesinin pürüzlülük artar ve asperities birbirine ajanlar26hareket. Dayanıklı SH yüzeyler kullanımı Eğer buz yüzeyinde zaten mevcut izine buzlanma önlemek için önerilir.
Bu çalışmada, biz metal yüzeylerde dayanıklı SH yüzeylerde üretmek için çeşitli protokolleri mevcut. Sektöründe yaygın olarak kullanılan ve anti-buzlanma özellikleri birleşme (kayak tatil imkanları, havacılık, vb) bazı uygulamalar için özellikle geçerlidir çünkü biz substrat alüminyum (Al) kullanın. Biz üç tür yüzeyler hazırlamak: bir dokulu Al yüzey kaplama, dokulu Al yüzey silanized bir fluorosilane ve bir ceria-Stearik asit bilayer bir Al substrat üzerine bir floropolimer ile kaplı. Benzer teknikler17,27,28,29 100-300 nm film kalınlıkları veya bile monolayer filmleri sağlar. Her yüzey için ıslatma özelliklerini ölçtüm ve aşınma testleri. Son olarak, biz anti-buzlanma performanslarını bağımsız olarak Şekil 1‘ de gösterilen üç özellik soruşturma için amaçlayan üç testleri kullanılarak analiz.
Bizim iletişim kuralı Şekil 2‘ de gösterilen düzeni temel alır. SH Al yüzeyler hazırlanır sonra ıslatma özellikleri ve topografya iticilik özellikleri ve pürüzlülük özellikleri belirlemek için analiz edilir. Islatma özellikleri hangi su çekme dayanımı yapışma sağlar bağlı bir tekniktir damla deneyler, zıplayan tarafından incelenir. Damla sıçrama gözlenmesi gerekli olduğundan, bu teknik sadece superhydrophobic yüzeyler13için uygundur. Her yüzey işleme için anti-buzlanma testler yapmak için en az dört örnekleri ve dayanıklılık testleri gerçekleştirmek için başka bir dört örnekleri hazırladık. Her dayanıklılık testinden sonra neden olduğu hasar özellikleri ve pürüzlülük özellikleri ıslatma kaybı ölçerek analiz edildi. İçin önerilen olanlar bu çalışmada son zamanlarda diğer metal yüzeyler27,30için kullanılan benzer dayanıklılık testleri.
Anti-buzlanma testleri ile ilgili olarak üretilen SH Al yüzeyler kullanımı anti-buzlanma aracıları olarak uygun olup olmadığını belirlemek için bu çalışmada var. Bu nedenle, karşılaştırma için iki kontrol örnekleri performansını analiz ettik: a) bir tedavi edilmezse Al örnek (düzgün hidrofilik) ve b) bir hydrophobized ama değil dokulu örnek (düzgün hidrofobik örnek). Aynı amaçla kullanımı bir dokulu ama değil hydrophobized yüzey ilginizi çekebilir. Ne yazık ki, bu yüzey son derece ıslanabilir ve anti-buzlanma testleri onlar için gerçekleştirilemiyor.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu yazıda, alüminyum yüzeylerde su itici yüzeylerde üretmek için stratejileri göstermektedir. Buna ek olarak, biz ıslatma özellikleri, pürüzlülük, dayanıklılık ve anti-buzlanma performans karakterize etmek için yöntemleri gösterir.
SH yüzeyler hazırlamak için iki strateji kullanılan. İlk strateji SH yüzeyler içsel hiyerarşik yapısını asit dağlama tarafından elde etmek için uygun pürüzlülük derecesi dahil. Bu işlem özellikle hangi diğer metaller veya fark…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu araştırma projeleri tarafından desteklenmiştir: MAT2014-60615-R ve MAT2017-82182-R tarafından finanse edilen devlet araştırma ajansı (SRA) ve Avrupa Bölgesel Kalkınma Fonu (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).
