Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Fabricage van Superhydrophobic metalen oppervlakken voor anti-slagroom toepassingen

8.2K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/57635

⸱

15 augustus 2018

 ,  ,  ,  , 
1Biocolloid and Fluid Physics Group, Faculty of Sciences, Applied Physics Department, University of Granada

In dit artikel

Samenvatting

We illustreren verscheidene methoden te produceren superhydrophobic metalen oppervlakken en te verkennen hun duurzaamheid en anti-slagroom eigenschappen.

Samenvatting

Verschillende manieren om te produceren superhydrophobic metalen oppervlakken worden gepresenteerd in dit werk. Aluminium werd gekozen als de metalen ondergrond als gevolg van het brede gebruik ervan in de industrie. De spuitbaarheid van het geproduceerde oppervlak werd geanalyseerd door het stuiteren van de daling van de experimenten en de topografie werd geanalyseerd door confocale microscopie. Bovendien tonen we verschillende methoden voor het meten van de duurzaamheid en anti-slagroom eigenschappen. Superhydrophobic oppervlakken houdt een speciale structuur dat moet worden behouden om te houden van hun water-repellency. We hebben gevolgd om duurzaam oppervlakken, twee strategieën op te nemen een resistente textuur. De eerste strategie is een directe integratie van ruwheid op de metalen ondergrond door zure etsen. Na deze oppervlakte texturization, was de oppervlakte-energie daalden met silanization of fluorpolymeer afzetting. De tweede strategie is de groei van een laag COOVI (na oppervlakte texturization), die de oppervlakte hardheid en corrosie weerstand moet verbeteren. De oppervlakte-energie werd verlaagd met een film van stearinezuur.

De duurzaamheid van de superhydrophobic oppervlakken werd onderzocht door een deeltje botsproef, mechanische slijtage door zijdelingse slijtage en UV-ozon weerstand. De anti-slagroom eigenschappen werden onderzocht door het bestuderen van de mogelijkheid om intrekking van subcooled water, vertraging, bevriezing en ijs van de hechting.

Inleiding

De mogelijkheid van superhydrophobic (SH) oppervlakken te weren van water is de reden dat ze traditioneel worden voorgesteld als een oplossing om te voorkomen dat KERS1,2. Echter, er zijn bezorgdheid over de geschiktheid van SH oppervlakken voor anti-slagroom agenten: 1) de hoge kosten van productie, 2) die superhydrophobicity niet altijd leidt tot ijs-phobicity3, en 3) de twijfelachtige duurzaamheid van de SH oppervlakken4 . Superhydrophobic oppervlakken bezit twee eigenschappen die zijn gerelateerd aan hun topografie en chemische samenstelling5: ze zijn ruw, met bijzondere topografische kenmerken; en hun oppervlakte-energie is laag (intrinsiek hydrofoob).

De ruwheid op een hydrophobic oppervlakte dient om de verhouding tussen het echte vaste stof-vloeistof-gebied en de schijnbare contactpunten. Het water is niet volledig in contact met de vaste stof als gevolg van de lotus effect6,7, wanneer de daling plaatst of naar de oppervlakte oneffenheden verplaatst. In dit scenario, de vaste stof-vloeistof-interface fungeert ongelijkmatig met twee chemische domeinen: het effen oppervlak zelf en de kleine luchtbellen gevangen tussen de vaste stof en water8. De mate van water-repellency is verbonden met de hoeveelheid ingesloten lucht omdat de lucht patches glad zijn en haar intrinsieke contacthoek 180 is °. Sommige studies rapporteren de opneming van een hiërarchische structuur van het oppervlak met micro- en nano-oneffenheden als de optimale strategie om te zorgen voor betere waterafstotende eigenschappen (grotere aanwezigheid van lucht bij de vaste stof-vloeistof-interface)9. Voor sommige metalen is een voordelige strategie voor het scheppen van twee niveaus ruwheid functies Zuur-etsing10,11. Deze procedure wordt vaak gebruikt in de industrie. Met bepaalde concentraties van zuur en etsen tijden blijkt de metalen oppervlak de juiste hiërarchische ruwheid. In het algemeen is de oppervlakte opruwen geoptimaliseerd door het variëren van de zuurconcentratie, ETS tijd of beide12. De oppervlakte-energie van metalen is hoog en daarom vereist de fabricage van waterafstotend metalen oppervlakken later hydrophobization.

Hydrophobization is over het algemeen bereikt door hydrofobe film afzetting met behulp van verschillende methoden: silanization10,13, duik-coating14, spin coating15,16 of plasma-depositie17 spuiten . Silanization is de voorgestelde18 als één van de meest veelbelovende instrument voor het verbeteren van de lage duurzaamheid van SH oppervlakken. In tegenstelling tot andere afzetting technieken, is het silanization-proces gebaseerd op een covalente binding tussen de Si-OH-groepen met de oppervlakte hydroxylgroepen van de metalen substraat10. Een nadeel van het silanization-proces is de behoefte aan vorige activering van de metalen coating genoeg hydroxylgroepen voor een hoge mate van dekking en uniformiteit te creëren. Een andere strategie onlangs voorgesteld te produceren resistente superhydrophobic oppervlakken is het gebruik van zeldzame aardmetalen coatings19,20. COOVI coatings hebben twee eigenschappen die dit gebruik rechtvaardigen: kunnen zij intrinsiek hydrofobe21, en ze zijn mechanisch en chemisch robuust. In het bijzonder, is een van de belangrijkste redenen waarom ze zijn gekozen als beschermende coatings hun capaciteiten corrosiebescherming20.

Voor de productie van langdurige SH metalen oppervlakken, twee kwesties worden beschouwd: de structuur van het oppervlak moet niet worden beschadigd, en de hydrofobe film/coating moet stevig worden verankerd op de ondergrond. Oppervlakken worden doorgaans blootgesteld te dragen ontstaan door zijdelingse slijtage of deeltje effect4. Als de oneffenheden zijn beschadigd, kan de water-repellency aanzienlijk worden verminderd. Onder extreme omgevingen, de hydrofobe coating kan gedeeltelijk worden verwijderd uit het oppervlak of chemisch kan worden afgebroken door de UV-blootstelling, vochtigheid of corrosie. Het ontwerp van duurzaam SH oppervlakken coatings is een belangrijke uitdaging voor coating en oppervlakte techniek.

Voor metalen, is een van de meest veeleisende eisen dat de anti-slagroom-mogelijkheid is gebaseerd op drie onderling verbonden aspecten22 , zoals geïllustreerd in Figuur 1: subcooled water-repellency, bevriezing vertraging en laag ijs wrijvingscoëfficiënt. Buiten ijsvorming optreedt wanneer subcooled water, meestal regen druppels, komt in aanraking met een harde ondergrond en is snel bevroren door heterogene nucleatie23. Het gevormde ijs (rime) is stevig aangesloten op het oppervlak. Dus, is de eerste stap om te voorkomen dat de slagroom te verminderen de contacttijd van solid-water. Als het oppervlak superhydrophobic is, kunnen de regendruppels worden verwijderd van het oppervlak vóór het invriezen. Bovendien, is het bewezen dat, onder vochtige omstandigheden, oppervlakken met een hoge contacthoek vertragen efficiënter dan die met een lage contacthoek24bevriezing. SH oppervlakken zijn deze twee redenen, de meest geschikte oppervlakken te verzachten van de slagroom. De levensduur van superhydrophobic oppervlakken kan evenwel een belangrijk punt aangezien slagroom voorwaarden meestal agressieve25 zijn. Sommige studies is gebleken dat SH oppervlakken niet de beste keuze zijn voor het verminderen van ijs hechting26. Eenmaal de ijs vormen op het oppervlak, het blijft stevig bijgevoegde toe te schrijven aan de oppervlakte oneffenheden. De ruwheid verhoogt de ijs-oppervlak contactpunten en de oneffenheden fungeren in elkaar grijpende agenten26. Het gebruik van duurzaam SH oppervlakken wordt aanbevolen om te voorkomen dat KERS als geen enkel spoor van ijs al aanwezig op het oppervlak.

In dit werk presenteren wij diverse protocollen voor de productie van duurzaam SH oppervlakken op metalen ondergronden. We gebruiken aluminium (Al) als het substraat, omdat het wijd in de industrie gebruikt wordt, en de opneming van anti-kers-vakantieverblijven is bijzonder relevant voor bepaalde toepassingen (ski resorts voorzieningen, lucht-en ruimtevaart, enz.). Wij bereiden drie soorten oppervlakken: een geborsteld oppervlak van de Al bedekt met een fluorpolymeer coating, een getextureerd oppervlak gesilaneerde van Al met een fluorosilane en een COOVI-Stearine zure dubbelgelaagde op een substraat Al. Soortgelijke technieken17,27,28,29 bieden 100-300 nm film diktes of zelfs enkelgelaagde films. Voor elk oppervlak, we gemeten hun bevochtigende eigenschappen en slijtage tests uitgevoerd. Ten slotte, geanalyseerd wij hun anti-slagroom-prestaties met behulp van de drie tests gericht op zelfstandig de drie eigenschappen afgebeeld in Figuur 1sonde.

Ons protocol is gebaseerd op de regeling die is afgebeeld in Figuur 2. Zodra de oppervlakken SH Al zijn voorbereid, worden hun bevochtigende eigenschappen en topografie geanalyseerd om te bepalen hun repellency eigenschappen en functies van de ruwheid. De bevochtigende eigenschappen worden geanalyseerd door stuiteren drop experimenten, die is een techniek die is aangesloten op de treksterkte hechting van water. Omdat de waarneming van drop stuitert vereist is, is deze techniek alleen geschikt voor superhydrophobic oppervlakken13. Voor elke oppervlaktebehandeling wij minstens vier monsters uit te voeren van de anti-slagroom proeven en een andere vier monsters voor het uitvoeren van de tests van de duurzaamheid. De schade na elke duurzaamheidstest werd geanalyseerd door het meten van het verlies van de bevochtiging van de eigenschappen en functies van de ruwheid. Soortgelijke duurzaamheid wordt gecontroleerd de voorgestelde degenen in dit werk onlangs voor andere metalen oppervlakken27,30 gebruikt werden.

Met betrekking tot de anti-slagroom proeven, het doel van deze studie is om te bepalen of het gebruik van de geproduceerde SH Al oppervlakken zijn handig als gemachtigden van de anti-slagroom. Dus, we geanalyseerd, ter vergelijking, de prestaties van twee controlemonsters: a) een onbehandelde Al monster (gladde hydrofiele monster) en b) een hydrophobized maar niet geweven monster (gladde hydrofobe monster). Voor hetzelfde doel, het gebruik van een bitmappatroon maar niet hydrophobized oppervlak van belang kan zijn. Helaas, dit oppervlak is uiterst spuitpoeders en anti-slagroom proeven niet kunnen worden uitgevoerd voor hen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

Opmerking: Het protocol volgt de regeling die is afgebeeld in Figuur 2.

1. de monstervoorbereiding

  1. Snijden en schoonmaken
    1. Met behulp van een metalen shear, 250 mm x 250 mm x 0.5 mm bladen van aluminium in 25 x 45 mm x 0.5 mm stukken gesneden.
      Opmerking: Speciale zorg moet worden genomen bij het gebruik van de metalen schuintrekken en speciale opleiding kan het nodig zijn.
    2. Verwijder de beschermende folie die betrekking hebben op één zijde van het monster en wassen van deze kant met behulp van ongeveer 50 mL reinigingsvloeistof. De monsters zachtjes met gehandschoende handen wassen. Vermijd het gebruik van schurende schuursponsjes.
    3. Spoel overvloedig de monsters in een stroom van gedestilleerd water. Vervolgens onderdompelen van elk monster in 30 mL ethanol 96%, bewerk het ultrasone trillingen ten voor 300 s, en herhaling in 30 mL ultrazuiver water voor 300 s.
    4. Verwijder de monsters uit het water en droog ze gedurende 1 uur bij kamertemperatuur.
  2. Zure etsen
    1. Bereid voor de ETS-reactie, een oplossing van de 4 M HCl in ultrazuiver water13. Onderdompelen van elk monster in 80 mL van deze oplossing voor 480 s. De reactie wordt krachtiger na ongeveer 360 s, wanneer de oppervlakte inheemse oxide-laag wordt verwijderd.
      Let op: Voor veiligheid, voeren deze reactie in een capuchon. Draag handschoenen, laboratoriumjas en beschermende bril.
    2. Naast het bekerglas van de zure oplossing, een andere bekerglas met ultrazuiver water te abrupt stoppen de reactie voor te bereiden. Met behulp van polytetrafluorethyleen pincet, verwijder het monster uit de zure oplossing en het onderdompelen in water. Spoel het monster in overvloedig ultrazuiver water.
    3. Volledig drogen van de monsters door hen met gefilterde en gecomprimeerde lucht te blazen. Merk op dat het monster na de etsen-reactie superhydrophilic is en drogen kan een moeilijke taak. Na de macroscopische verwijdering van water door te blazen, sporen van water te verwijderen in een oven op 120 ° C voor 600 s.
      Opmerking: Deze droogproces in essentieel, met name voor te worden later gesilaneerde monsters.
  3. Hydrophobization
    1. Hydrophobization door FAS-17 silanization
      1. Voorafgaand aan de damp-fase-silanization, behandeling van de monsters met lucht-plasma voor 600 s met behulp van een plasma cleaner op 100 W. Dit proces activeert de oppervlakte functionele groepen (-OH groepen) die fungeren als linker aan de silane-moleculen.
      2. Daarna voeren de monsters in een glazen petrischaaltje iets gekanteld met behulp van een pipet tip om iets de hellingshoek van het oppervlak. Storting twee 50 µL druppels 1H, 1U, 2U, 2H-Perfluorodecyl-triethoxysilane (FAS-17) op de petrischaal naast de monster13.
      3. Dekking van de petrischaal gedeeltelijk en plaats deze in een exsiccator lucht-geëvacueerd 's nachts. Ten slotte, ventileer de exsiccator. Verwijder de monsters, die bereid zijn te gebruiken.
    2. Hydrophobization door fluorpolymeer (polytetrafluorethyleen) afzetting
      1. Spray de geëtste monsters16 van ongeveer 10 cm met een oplossing van amorfe fluorpolymeer in een fluorkoolstof oplosmiddel in een verhouding van 1/20 (v/v)16. Een parfum diffuser gevuld met de oplossing kan worden gebruikt voor dit doel. Laat ze drogen bij kamertemperatuur voor 600 s. Herhaal hetzelfde proces over een schone niet-geëtst oppervlak om een gladde-hydrofobe aluminium oppervlak (Reen 0.25±0.03 = µm).
      2. Breng een tweede laag en de invoering van de monsters in een oven van 110 ° C voor 600 s om totale verwijdering van het oplosmiddel en een crosslinking fluorpolymeer laklaag. Dit proces verhoogt de duurzaamheid, zoals aangegeven door de fabrikant.
    3. Hydrophobization door COOVI-Stearine zuurdepositie
      1. Schoon de geëtste monsters in aceton/ethanol/water, bewerk ultrasone trillingen ten hen voor 300 s in water en droog ze een stroom van perslucht.
      2. Dompel de monsters31 in 50 mL van een waterige oplossing bevattende cerium titaantrichloride heptahydraat (CeCl3·7H2O) 2 g en 3 mL 30% waterstof peroxide (H2O2). Incubeer het monster ondergedompeld in de oplossing in een oven 40 ° C gedurende 1 uur.
      3. Verwijderen uit de oplossing in gedestilleerd water het spoelen en drogen in een oven van 100 ° C voor 600 s.
      4. Dompel het monster in een 30 mM ethanol oplossing van stearinezuur voor 900 s, spoel het in ethanol en drogen in een oven van 100 ° C voor 600 s.
        Opmerking: Zodra gedroogd en afgekoeld tot kamertemperatuur, de monsters zijn klaar voor gebruik. De oppervlakken van de SH geproduceerd met het zuur COOVI-Stearine coating worden hierna aangeduid als het Ce-SA gecoate oppervlak.

2. voorbeeld karakterisering

  1. Bevochtiging analyse
    1. Drop experimenten stuiteren
      1. Evalueren de water repellency graad van het geproduceerde monster door het stuiteren van druppels experimenten13. Kwantificeren van het aantal stuitert gegeven door een druppel die vrijkomt uit een vaste injectiespuit waarvan naald op (10.1 ± 0,2 ligt) mm boven het oppervlak. Het volume van de daling is meestal 4 µL.
      2. De volgorde met een high-speed camera vastleggen. Vast in de high-speed video acquisitie software, de verwerving tarief tot 4200 beelden per seconde en de belichtingstijd aan 235 µs.
      3. Zodra de video is opgenomen, selecteer het reeks vanaf het moment wanneer de daling wordt vrijgegeven totdat de daling nog in volledige contact is met het monster (niet meer bounces zijn waargenomen). Sla het video bestand.
      4. Voor elke afbeelding, het profiel van de daling met behulp van software32te detecteren. Later, het aantal springt op en neer met het blote oog te kwantificeren bij het afspelen van de video-opname. In het geval dat het niet gemakkelijk is geïdentificeerd, tellen het aantal maxima boven de positie van het massamiddelpunt van de daling van de statische (meer dan 15-20%).
    2. Kantelbare plaat experimenten
      1. Gebruik deze test alleen voor het kwantificeren van de schade veroorzaakt door elke specifieke slijtage-test. Het analyseren van de hechting van de afschuiving van waterdruppels met kantelen plaat experimenten (TPE)33 met behulp van een lab-ontworpen kantelbare apparaat34.
      2. Zijaanzicht image aquisition van een sessiele drop gestort op het monster bevestigd aan een inclineerbaar platform gebruiken. Helling tijdens de Beeldacquisitie (tegen constante overname tarief van 16 fps), het platform met constante hoeksnelheid (5 ° /s). Daarom een opname drop elke 0.31°.
        Opmerking: Hierboven een specifieke Knikhoek, de daling beweegt (dia's / broodjes-off) op het oppervlak en deze status kan dienen om de oprukkende en teruglopende contacthoeken (ACA en RCA, respectievelijk) tegelijk. De minimale kantelbare hoek die een globale verplaatsing van de rijdraad produceert (bergop en bergaf rijdraad punten verplaatsen tegelijk) wordt aangeduid als de glijdende hoek (SA). De SA is de waarde hier gemeld van TPE.
  2. Ruwheid metingen
    1. De micro-ruwheid van de monsters met behulp van een wit licht confocal microscoop te analyseren. Stel een scangebied van 0.252 x 0.187 mm per één topografie.
    2. Neem ten minste 4 één topografieën per monster. Gebruik de doelstelling van vergroting 50 X, vastleggen van 200 verticale vlakken in verticale stappen van 0,2 µm. bepalen de Ra factor (rekenkundige ruwheid amplitude).

3. duurzaamheid Tests

Opmerking: Evalueren van de schade veroorzaakt door elke agent slijtage afzonderlijk. Voeren niet meer dan één slijtage test per monster.

  1. Zijdelingse slijtage proeven
    Opmerking: De proeven van de zijdelingse slijtage (Zie Figuur 3a) worden uitgevoerd door middel van een commerciële lineaire schuurmiddel. Deze toets heeft als doel om de slijtage veroorzaakt door tangentiële verplaatsing van een standaard schurende tip tegen een oppervlak. Dit apparaat maakt het gebruik van een breed scala aan schuurmiddelen, instellen van een breed scala van toepassing druk, laterale snelheden en schurende cycli35in totaal.
    1. Gebruik een standaard rubber schurende CS-10, geleverd door de fabrikant. De snelheid waarmee 20 cycli/min. controle de toegepaste druk met behulp van gewichten vast. Stel de minimale druk toegestaan door het instrument, dat komt met een totaal gewicht van 350 g overeen.
      Opmerking: Gezien de breedte van de tip (6.70±0.05 mm), en het gewicht gebruikt, wordt de corresponderende toegepaste druk voor deze instellingen 97.3±1.4 kPa. De totale oppervlakte van de versleten wordt beperkt door de breedte van de tip en de totale lengte voor elke cyclus schuren. Zet hem op 38,1 mm.
    2. Voor elk monster, evalueren de slijtage geïnduceerde na 1, 2, 3 en 5 cycli.
      1. Na elke behandeling van slijtage, zachtjes borstel het oppervlak (met behulp van de borstel geleverd door de fabrikant), spoelen in water, en blazen over het gebruik van gecomprimeerd lucht. Evalueren de bevochtigende eigenschappen met behulp van TPE, zoals beschreven in punt 2.1.2.
  2. Schurende deeltjes botsproef
    1. Het gedrag van de botsproef deeltje met behulp van de set-up weergegeven in Figuur 3b, die is geïnspireerd door de standaard schuren Test D968. Vrij 30 mL (ongeveer 55 g) van schurende zand uit een glazen trechter. Zoek de extreme bodem (25±1) cm van het oppervlak.
    2. Gebruik een trechter kraan diameter van (12±1) mm en een lengte van (97±1) mm. plaats de trechter verticaal, terwijl de hellingproef het monster 45°. Na de invloed van de steekproef, het zand in een container geplaatst hieronder te verzamelen.
    3. Zodra een slijtage-cyclus wordt uitgevoerd, spoel het oppervlak met gedestilleerd water, droog het in een stroom van samengeperste lucht en evalueren de bevochtigende eigenschappen door TPE (punt 2.1.2). Herhaal dit proces tot 3 keer voor elk monster.
  3. Oppervlakte afbreekbaarheidstest UV-ozon
    1. Het gedrag van de UV-ozon afbreekbaarheidstest met behulp van een ozon schoner. Behandelen van elk monster bij kamertemperatuur voor 600 s en herhaal de cyclus eenmaal.
    2. Vervolgens de oppervlakken in water spoel en droog ze met perslucht.
    3. Evalueren de bevochtigende eigenschappen door TPE beschreven in punt 2.1.2 om te bepalen of de superhydrophobic eigenschappen na UV-blootstelling blijven.
  4. Onderdompeling watertest
    1. Evalueren de slijtage veroorzaakt door contact van water na een langdurige onderdompeling in water. Invoering van het monster in een bekerglas van 100 mL ultrazuiver water gedurende 24 uur.
    2. Verwijderen van de monsters uit het water, droog ze met perslucht en plaats ze in een oven van 120 ° C voor 600 s om te zorgen voor een totale verwijdering van water van het oppervlak. Wanneer het oppervlak is volledig gedroogd, evalueren de bevochtigende eigenschappen na water blootstelling via het protocol beschreven in punt 2.1.2.

4. anti-slagroom-efficiëntie evaluatie

Opmerking: De anti-slagroom efficiëntie-evaluatie is gebaseerd op de drie aspecten die is afgebeeld in Figuur 1.

  1. Subcooled water druipende test
    Opmerking: De subcooled water-repellency van de monsters wordt getest door middel van de set-up weergegeven in figuur 4a. Het monster wordt ingevoerd in een ijskoude kamer bij –20 ° C, die is vastgesteld op de top van een platform geneigd (30 °). Een mengsel van ijs en gedestilleerd water in evenwicht (bij de gestabiliseerde temperatuur van 0 ° C) wordt geplaatst buiten de ijskoude kamer.
    1. Pomp van het koude water in de kamer gebruik een peristaltische pomp en hebben het circuleren binnen de vriezer vóór elke 3 seconden op het monster met een lage snelheid van 1 druppel wordt droop. Enkele druppels hebben een volume van ongeveer 50 µL.
    2. Zodra de druipende proces wordt gestart, een opname laterale van het monster elke 10 s om te bepalen of de invloed van ijsafzetting zich voordoet.
  2. Bevriezing vertraging test
    1. Het gedrag van de bevriezing vertraging test binnen de dezelfde bevriezing zaal vermeld in de vorige sectie.
    2. Bepalen van het percentage van sessiele druppels gestort op het monster dat, voor elke temperatuur, tijdens een koelproces van kamertemperatuur tot ongeveer-25 ° C. bevriezen De set-up voor deze test wordt weergegeven in figuur 4b.
    3. Niveau van het monster (met nul tilt) en storting sessiele druppels zorgvuldig om te voorkomen dat roll-off. Wegens de hoge mobiliteit van druppels op waterafstotend oppervlakken, door een lager nummer van hen op SH monsters te plaatsen. Herhaal het experiment voor SH oppervlakken meerdere malen.
    4. Het controleren van de temperatuur en relatieve vochtigheid met behulp van een thermische-sonde. Controle van de relatieve vochtigheid (RH) met een commerciële luchtbevochtiger. De relatieve vochtigheid is ongeveer 95%, wanneer de luchtbevochtiger is ingeschakeld en het verlaagt tot ongeveer 40% wanneer de luchtbevochtiger is uitgeschakeld.
    5. Gebruik ongeveer 200 druppels 30 µL per monster (bevriezing van de daling is een stochastische verschijnsel, en de analyse vereist het gebruik van een groot aantal druppels).
      Opmerking: Dus, voor deze test gebruiken grotere monsters dan die welke worden gebruikt voor de rest van de studies. In dit geval de grootte is 125 x 62,5 mm en passen het protocol om ofwel het monster of de hydrophobize hun oppervlakken de nieuwe afmetingen van de steekproef.
    6. Leg het monster in het midden van het onderste gedeelte van de vriezer bovenop een isolerende platform. Zachtjes storten een array van 70 druppels per monster (25 voor het superhydrophobic monster). Sluit de vriezer en zet hem aan.
      Opmerking: De temperatuur neemt lineair af in de tijd van kamertemperatuur tot ongeveer-25 ° C. Het tarief van koeling, is afhankelijk van de relatieve vochtigheid. Op lage relatieve vochtigheid (luchtbevochtiger unplugged), duurt het hele proces ongeveer 2 uur, terwijl het kost minder tijd (ongeveer 1 uur) als de luchtbevochtiger is aangesloten. Zodra de temperatuur lager dan 0 ° C is, gaan druppels ervoor.
    7. Het aantal druppels die zijn geblokkeerd voor elke temperatuur (in intervallen van 0.5 ° C), tot het geheel van de druppels is bevroren.
  3. Ijs adhesie test
    1. Kwantificeren van de kracht die loskoppelen (pull-off) een stuk ijs met een beheersbare contact gebied dat is gevormd op elk monster moet worden aangebracht. Het uitvoeren van deze tests met de set-up geïllustreerd in Figuur 4 c.
    2. Snij een polytetrafluorethyleen pijp met inwendige diameter van 10 mm in de cilinders van ~ 28 mm hoogte met behulp van schaar. Druk op de cilinder tegen het monster. Vul het met 1,2 mL gedestilleerd water. Invoering van de gevulde cilinder in de ijskoude kamer en wacht tot 1 h.
      Opmerking: Zodra het water helemaal bevroren is, is het monster met de cilinder stevig bevestigd naar een platform met een spits plaat.
    3. Het binden van de cilinder naar een digitale kracht meten met behulp van een nylondraad. De manier waarop die deze cilinder is gebonden aan de wol en de oriëntatie van de cilinder met betrekking tot de draad hangt af van welke type (schuintrekken of de treksterkte) hechting geëvalueerd is. Deze meter naar een gemotoriseerde test stand vast te stellen. Sluit de ijskoude kamer en wacht voor 600 s.
    4. Verplaats de meter uit het monster met een constante snelheid (10 ± 0,5) mm/min.
      1. Pas deze snelheid handmatig in het control panel van de gemotoriseerde test stand. Klik op het pictogram van het programma controleren van de rollenbank lezingen. Druk op START met opnemen van de kracht.
      2. Onmiddellijk na, verplaatsen de rollenbank omhoog door houden op te drukken op de bodem van de verticale verplaatsing binnen de gemotoriseerde stand bedieningspaneel.
    5. Wanneer de verplaatsing van de rollenbank met betrekking tot het monster een uitbreiding van de wol en een scheiding van het ijs van het monster produceert, klik op stoppen en het gegenereerde bestand opslaan.
      Opmerking: De meter bewaakt de kracht in termen van tijd. Te weten de snelheid waarin de rollenbank is ontheemd (10 mm/min), bepalen de kracht op het gebied van verplaatsing. Dit dient om te bepalen van de breuk force (maximaal behoud van kracht) en de wrijvingscoëfficiënt kracht per oppervlakte-eenheid.
    6. Evalueren van de hechting van de shear wanneer de pull-off wordt uitgevoerd lateraal. De kracht in dit geval is parallelle toegepast op de contactpunten (Zie figuur 4b). Voor dit doel, los van het monster verticaal en de cilinder base verbinden met de draad met behulp van een metalen ring. Trek deze ring door de gauge totdat het monster losgekoppeld van het oppervlak door schuintrekken verplaatsing.
      Opmerking: De treksterkte adhesie test evalueert de piekkracht en werk wilt loskoppelen van een stuk ijs van het oppervlak, wanneer het verticaal wordt getrokken.
    7. In dit geval boor twee kleine gaatjes aan de wand van de cilinder die dienen om de cilinder verbinden met de meter. Vervolgens trek hem verticaal totdat het ijs ten slotte van het oppervlak losgemaakt is.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

De eigenschappen van het bedplassen en ruwheid van de SH-oppervlakken die in deze studie werden gebruikt, zijn afgebeeld in Figuur 5. Het gemiddelde aantal weigeringen voor elk monster gemeten wordt weergegeven in figuur 5a en de gemiddelde ruwheid is getoond in Figuur 5b. Er bestaat geen direct verband tussen de ruwheid en bevochtiging van eigenschappen. Het aantal stuitert gemeten voor de polytetra...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

In deze paper tonen wij strategieën om het produceren van waterafstotend oppervlakken op aluminium ondergronden. Bovendien tonen we methoden voor het karakteriseren van hun bevochtigende eigenschappen, ruwheid, duurzaamheid en prestaties van de anti-slagroom.

Ter voorbereiding van de SH-oppervlakken, we gebruikten twee strategieën. De eerste strategie opgenomen de juiste ruwheid mate om de intrinsieke hiërarchische structuur van SH oppervlakken door zure etsen. Dit proces is bijzonder kritisch...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

Wij hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Dit onderzoek werd gesteund door de projecten: MAT2014-60615-R en MAT2017-82182-R gefinancierd door de staat Research Agency (SRA) en het Europees Fonds voor regionale ontwikkeling (EFRO).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Zoutzuur, 37%SICAL, S.A.AC07411000gebruikt voor zuur etsen
1H,1H,2H,2H-Perfluorodecyltriethoxysilane, 97%Sigma-Aldrich658758gebruikt voor silanisering met FAS-17
Dupont AF1600DupontD10389631gebruikt voor fluoropolymeer depositie
FC-723M, Fluorinet1100-2-93gebruikt voor fluoropolymeer depositie (fluorocarbon oplosmiddel)
Cerium(III) chloride heptahydrate, 99.9%Sigma-Aldrich228931gebruikt voor Ceria coating depositie
Waterstofperoxide oplossing, 30%Sigma-AldrichH1009gebruikt voor Ceria coating depositie
Stearinezuur, ≥98.5%Sigma-AldrichS4751gebruikt voor Ceria coating depositie
EthanolSICAL, S.A.16271gebruikt doorheen
AcetonSICAL, S.A.1090gebruikt doorheen
Aluminium platen 0.5mmMODULOR (Germany)125993substraten gebruikt doorheen
Micro-90 geconcentreerde reinigingsoplossingSigma-AldrichZ281506
Ultra puur Milli-Q waterMilliporediscontinuedgebruikt doorheen
Plasma Etcher/Asher/Cleaner EMITECH K1050XAnameK1500XDEV-001gebruikt doorheen
PCC softwareAMETEKdiscontinuedsoftware die de hogesnelheidscamera Phantom MIRO 4 controleert
Hogesnelheidscamera Phantom Miro 4AMETEKdiscontinuedgebruikt voor bouncende druppel experimenten
Open Loop PLµ 2.32UPC-CD6 & Sensofar Tech S.L.version 2.32Software die de PLµ Confocal Imaging Profiler controleert
PLµ-Confocal Imaging Profiler 2300Sensofar Tech S.L.discontinuedgebruikt voor ruwheidsmetingen
TABER 5750 LINEAL ABRASERTABER5750gebruikt voor laterale slijptests
Schuurzand: ASTM 20-30 SAND C778U.S. SILICA COMPANY (USA)1-800-635-7263gebruikt voor schuurdeeltje botsingstests
Ozonreiniger: PSDP-UV4T, Digitaal UV Ozon SysteemNovascamdiscontinuedUV-ozon degradatietest
Peristaltpomp GILSON 312, FrankrijkGILSON (Frankrijk)discontinuedgebruikt voor waterdruppeltest
Nylon draadDracon vislijn, Izorline internacional, inc. (USA)discontinuedgebruikt voor ijsaanhechtingstests
Digitale krachtmeter (ZTA-200N, ZTA Serie)IMADA (USA)370199gebruikt voor ijsaanhechtingstests
Gemotoriseerde teststandaard I, MH2-500N-FAIMADA (USA)366942gebruikt voor ijsaanhechtingstests
Force Recorder ProfessionalIMADA (USA)version 1.0.2software geleverd door IMADA om de kracht te registreren
HYGROCLIP XD - STANDAARD PROBERotronicdiscontinuedTemperatuur en vochtigheid sonde
HW3 Lite softwareRotronicversion 2.1.2Software die de HYGROCLIP sonde controleert

Referenties

  1. Fang, G., Amirfazli, A. Understanding the anti-icing behavior of superhydrophobic surfaces. Surface Innovations. 2 (2), 94-102 (2014).
  2. 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).
  3. Jung, S., et al. Are superhydrophobic surfaces best for icephobicity? Langmuir. 27 (6), 3059-3066 (2011).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Sun, M., et al. Artificial Lotus Leaf by Nanocasting. Langmuir. 21 (19), 8978-8981 (2005).
  7. Darmanin, T., Guittard, F. Superhydrophobic and superoleophobic properties in nature. Materials Today. 18 (5), 273-285 (2015).
  8. Marmur, A. Soft contact: Measurement and interpretation of contact angles. Soft Matter. 2 (1), 12-17 (2006).
  9. Li, W., Amirfazli, A. Hierarchical structures for natural superhydrophobic surfaces. Soft Matter. 4 (3), 462-466 (2008).
  10. 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).
  11. Yuan, Z., et al. Fabrication of superhydrophobic surface with hierarchical multi-scale structure on copper foil. Surface and Coatings Technology. 254, 151-156 (2014).
  12. 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).
  13. Ruiz-Cabello, F. J. M., et al. Testing the performance of superhydrophobic aluminum surfaces. Journal of Colloid and Interface Science. 508, 129-136 (2017).
  14. Mahadik, S. A., et al. Superhydrophobic silica coating by dip coating method. Applied Surface Science. 277, 67-72 (2013).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Azimi, G., Dhiman, R., Kwon, H. -M., Paxson, A. T., Varanasi, K. K. Hydrophobicity of rare-earth oxide ceramics. Nature Materials. 12, 315(2013).
  22. Ruan, M., et al. Preparation and anti-icing behavior of superhydrophobic surfaces on aluminum alloy substrates. Langmuir. 29 (27), 8482-8491 (2013).
  23. Yin, L., et al. In situ investigation of ice formation on surfaces with representative wettability. Applied Surface Science. 256 (22), 6764-6769 (2010).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Chen, J., et al. Superhydrophobic surfaces cannot reduce ice adhesion. Applied Physics Letters. 101 (11), 111603(2012).
  27. 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).
  28. 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).
  29. Meuler, A. J., et al. Relationships between water wettability and ice adhesion. ACS Applied Materials & Interfaces. 2 (11), 3100-3110 (2010).
  30. 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).
  31. Wan, B., et al. Superhydrophobic ceria on aluminum and its corrosion resistance. Surface and Interface Analysis. 48 (3), 173-178 (2016).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
  36. 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).
  37. 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).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Tags

Zuur-etsensilaniseringfluorpolymeerdepositieceria-laagstearinezuurfilmstuiterend-druppel-experimentconfocale microscopiepartikelimpacttest
Fabricage van Superhydrophobic metalen oppervlakken voor anti-slagroom toepassingen
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan de bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleidsoverzicht

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.