Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Fabricación de superficies metálicas superhidrófobos para aplicaciones anti-hielo

Published: August 15, 2018 doi: 10.3791/57635
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1
1Biocolloid and Fluid Physics Group, Faculty of Sciences, Applied Physics Department, University of Granada

Summary

Ilustramos varias metodologías para producir superficies metálicas superhidrófobos y explorar sus propiedades de durabilidad y anti-hielo.

Abstract

Varias formas de producir superhidrófobos superficies metálicas se presentan en este trabajo. Aluminio fue elegido como el sustrato metálico debido a su amplio uso en la industria. La humectabilidad de la superficie producida fue analizada por rebote de experimentos de la gota y la topografía se analizó mediante microscopía confocal. Además, mostramos varias metodologías para medir la durabilidad y propiedades de anti-hielo. Superhidrófobos superficies tienen una textura especial que debe conservarse para mantener su agua-repellency. Para fabricar las superficies durables, seguimos dos estrategias para incorporar una textura resistente. La primera estrategia es una incorporación directa de rugosidad para el sustrato metálico por ácido. Después de este texturización de la superficie, la energía superficial disminuyó por la deposición de silanización o fluoropolímero. La segunda estrategia es el crecimiento de una capa de ceria (después de texturización superficial) que debe mejorar la resistencia superficial de la dureza y corrosión. La energía superficial se redujo con una película de ácido esteárico.

La durabilidad de las superficies superhidrófobos fue examinada por una prueba de impacto de partículas, desgaste mecánico por lateral, resistencia abrasión y UV-ozono. Las propiedades de anticongelación se exploran mediante el estudio de la capacidad de derogar subcooled el congelamiento del agua, retrasa y la adherencia del hielo.

Introduction

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 hielo1,2. 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 loto6,7, 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 ácido10,11. 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: silanización10,13, 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 rara19,20. 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 técnicas17,27,28,29 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 metálicas27,30.

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Nota: El protocolo sigue el esquema que se muestra en la figura 2.

1. preparación de la muestra

  1. Corte y limpieza
    1. Usando un esquileo del metal, cortar 250 mm x 250 mm x Láminas de 0,5 mm de aluminio 25 mm x 45 mm x piezas mm 0,5.
      Nota: Debe tenerse especial cuidado cuando se utiliza la cizalla de metal, y un entrenamiento especial puede ser necesario.
    2. Quite la película protectora que cubre un lado de la muestra y lavar esta parte con unos 50 mL de solución de limpieza. Lavar las muestras con las manos enguantadas. Evitar el uso de estropajos abrasivos.
    3. Enjuagar abundantemente las muestras en un flujo de agua destilada. Posteriormente, sumergir cada muestra en 30 mL de etanol al 96%, someter a ultrasonidos para 300 s y repetir en 30 mL de agua ultrapura para 300 s.
    4. Quitar las muestras del agua y secar durante 1 hora a temperatura ambiente.
  2. Grabado ácido
    1. Para la reacción de la aguafuerte, preparar una solución de 4 M de ácido clorhídrico en agua ultrapura13. Sumerja cada muestra en 80 mL de esta solución para 480 s. La reacción se vuelve más vigorosa después de aproximadamente 360 s, cuando se quita la capa superficial de óxido nativo.
      Atención: Para seguridad, llevar a cabo esta reacción en una campana. Utilizar guantes, bata de laboratorio y gafas de protección.
    2. Junto al vaso que contiene la solución ácida, preparar otro vaso de precipitados con agua ultrapura a detener abruptamente la reacción. Con unas pinzas de politetrafluoroetileno, retire la muestra de la solución ácida y sumergirlo en agua. Enjuague la muestra en agua ultrapura.
    3. Secan las muestras por soplado con aire filtrado y comprimido. Tenga en cuenta que la muestra después de la reacción de grabado es hidrofílico y secarlo puede ser una tarea difícil. Después de la extirpación macroscópica de agua soplando, eliminar restos de agua en un horno a 120 ° C para 600 s.
      Nota: Este proceso de secado en esencial, especialmente para las muestras que más adelante silanizada.
  3. Hydrophobization
    1. Hydrophobization por FAS 17 silanización
      1. Antes de la silanización de la fase de vapor, tratamiento de las muestras con aire-plasma para 600 s usando un plasma cleaner funciona a 100 w. Este proceso activa los superficie grupos funcionales (-OH grupos) que actúan como vinculador a las moléculas de silano.
      2. Posteriormente, introducir las muestras dentro de un plato de Petri de vidrio ligeramente inclinado con la ayuda de una pipeta a inclinar ligeramente la superficie. Depósito dos 50 μl gotas de 1H, 1H, 2H, 2H-Perfluorodecyl-trietoxisilano (FAS-17) en la placa de Petri junto a la muestra13.
      3. Cubrir parcialmente la placa Petri y colocar en un desecador de aire evacuado durante la noche. Por último, ventile el desecador. Retirar las muestras, que están listas para usar.
    2. Hydrophobization de fluoropolímero (politetrafluoroetileno) deposición
      1. Rocíe las muestras grabadas16 de unos 10 cm con una solución de fluoropolímero amorfo en un solvente de fluorocarbono en una proporción de 1/20 (v/v)16. Un difusor de perfume con la solución puede utilizarse para este propósito. Dejar secar a temperatura ambiente para 600 s. repetir el mismo proceso sobre una superficie limpia no grabado para hacer una superficie de aluminio liso hidrofóbico (Run = 0.25±0.03 μm).
      2. Aplique una segunda capa e introducir las muestras en un horno de 110 ° C 600 s para asegurar la eliminación total del solvente y una reticulación de la capa de fluoropolímero. Este proceso aumenta la durabilidad, indicado por el fabricante.
    3. Hydrophobization por la deposición de ácido esteárico ceria
      1. Limpiar las muestras grabadas en etanol/acetona/agua, les someter a ultrasonidos para 300 s en agua y secarlas en un flujo de aire comprimido.
      2. Sumerja las muestras31 en 50 mL de solución acuosa que contiene 2 g de tricloruro de cerio heptahidrato (CeCl3·7H2O) y 3 mL 30% de peróxido de hidrógeno (H2O2). Incubar la muestra sumergida en la solución en un horno de 40 ° C durante 1 h.
      3. Retirar de la solución, enjuague en agua destilada y secarlo en un horno de 100 º C para 600 s.
      4. Sumergir la muestra en una solución de etanol de 30 mM de ácido esteárico para 900 s, lavar en etanol y secar en un horno de 100 º C para 600 s.
        Nota: Una vez secado y enfriado a temperatura ambiente, las muestras están listas para utilizar. Las superficies SH con el ácido esteárico ceria capa en lo sucesivo se refieren como la superficie cubierta de Ce-SA.

2. Caracterización de la muestra

  1. Análisis de la adherencia de soldadura
    1. Experimentos de caída de rebote
      1. Evaluar el grado de repelencia al agua de la muestra producida por rebote gotas experimentos13. Cuantificar el número de rebotes por una gota que se lanza desde una fija jeringa cuya aguja se encuentra en (10.1 ± 0.2) mm por encima de la superficie. El volumen de la gota es típicamente 4 μL.
      2. Capturar la secuencia con una cámara de alta velocidad. En el software de adquisición de video alta velocidad, fijar la tasa de adquisición a 4200 imágenes por segundo y el tiempo de exposición a 235 μs.
      3. Una vez que se graba el vídeo, seleccione la secuencia desde el momento cuando la gota se suelta hasta que la caída ya está en pleno contacto con la muestra (no más rebotes se observan). Guarde el archivo de vídeo.
      4. Para cada imagen, detectar el perfil de la gota usando software32. Posteriormente, cuantificar el número de rebotes con el ojo desnudo cuando se reproduce la secuencia de vídeo. En caso de que ello no se identifica fácilmente, contar el número de máximos por encima del centro de masa de la gota estática (más de 15-20%).
    2. Experimentos de placa giratoria
      1. Utilice esta prueba sólo para cuantificar el daño causado por cada prueba de desgaste específico. Analizar la adhesión de esquileo de gotas de agua con inclinación placa experimentos (TPE)33 usando un aparato inclinación diseñado por laboratorio34.
      2. Use adquisición de la imagen de la vista lateral de una gota sésil en la muestra fijada a una plataforma inclinable. Durante la adquisición de la imagen (a velocidad constante adquisición de 16 fps), incline la plataforma con velocidad angular constante (5 ° s). Por lo tanto, captura una imagen de gota cada 0,31 °.
        Nota: Por encima de un ángulo de inclinación específico, la gota se mueve (diapositivas/rollos-off) en la superficie y este estado puede servir para determinar los ángulos de contacto de avance y retroceso (ACA y RCA, respectivamente) al mismo tiempo. El ángulo mínimo de inclinación que produce un desplazamiento global de la línea de contacto (puntos de subidas y bajadas de línea de contacto se mueven al mismo tiempo) se conoce como el ángulo de deslizamiento (SA). El SA es el valor divulgado aquí de TPE.
  2. Mediciones de rugosidad
    1. Analizar la micro rugosidad de las muestras con un microscopio confocal luz blanco. Defina un área de exploración de 0.252 x 0.187 mm por solo topografía.
    2. Tomar al menos 4 topografías solo por muestra. Utilizar el objetivo de ampliación de 50 X, capturas 200 planos verticales en pasos verticales de 0,2 μm. determinan el factor de la Ra (amplitud de aspereza aritmética).

3. durabilidad pruebas

Nota: Evaluar el daño inducido por cada agente de desgaste por separado. No realizar más de una prueba de desgaste por muestra.

  1. Pruebas de abrasión lateral
    Nota: Los ensayos de abrasión lateral (ver figura 3a) se realizan por medio de un abrasivo comercial lineal. Esta prueba pretende evaluar el desgaste inducido por desplazamiento tangencial de una punta abrasiva estándar contra una superficie. Este dispositivo permite el uso de una amplia variedad de abrasivos, establecer una amplia gama de presiones de uso, velocidades laterales y número total de ciclos abrasivos35.
    1. Un estándar caucho abrasivo CS-10, suministrado por el fabricante. Fijar la velocidad a 20 ciclos/min Control de la presión aplicada mediante el uso de pesas. Ajustar la presión mínima permitida por el instrumento, que corresponde a un peso total de 350 g.
      Nota: Teniendo en cuenta el ancho de la punta (6.70±0.05 mm) y el peso utilizado, la presión correspondiente para esta configuración es 97.3±1.4 kPa. La desgastada superficie total está limitada por el ancho de la punta y la longitud total de cada ciclo de abrasión. Establecer a 38,1 mm.
    2. Para cada muestra, evaluar el desgaste inducido después de ciclos 1, 2, 3 y 5.
      1. Después de cada tratamiento de desgaste, suavemente cepillo la superficie (con el cepillo suministrado por el fabricante), enjuague con agua y soplar sobre el uso de aire comprimido. Evaluar las propiedades humectantes TPE, como se describe en la sección 2.1.2.
  2. Prueba de impacto de partículas abrasivas
    1. Realizar la prueba de impacto de partículas mediante el uso de la configuración que se muestra en la figura 3b, que se inspira en la abrasión estándar D968 de prueba. Liberar 30 mL (alrededor de 55 g) de arena abrasiva de un embudo de cristal. Localice su extremo inferior (25±1) cm de la superficie.
    2. Utilice un embudo corriente de mm de diámetro (12±1) y una longitud de mm (97±1). Coloque el embudo vertical, mientras que la muestra de 45° de inclinación. Después de impactar en la muestra, recoge la arena en un recipiente colocado debajo.
    3. Una vez que se lleva a cabo un ciclo de desgaste, enjuague la superficie con agua destilada, secar en una corriente de aire comprimido y evaluar las propiedades humectantes de TPE (sección 2.1.2). Repita este proceso hasta 3 veces para cada muestra.
  3. Prueba de degradación superficial UV-ozono
    1. Realizar la prueba de degradación UV-ozono con ozono limpiador. Tratar cada muestra a temperatura ambiente para 600 s y repetir el ciclo una vez.
    2. Posteriormente, enjuague las superficies de agua y seque con aire comprimido.
    3. Evaluar las propiedades de adherencia de soldadura por TPE descrito en la sección 2.1.2 para determinar si las propiedades superhidrófobos permanecen después de la exposición UV.
  4. Prueba de inmersión de agua
    1. Evaluar el desgaste inducido por contacto con el agua después de una larga inmersión en agua. Introducir la muestra en un vaso de precipitados de 100 mL de agua ultrapura para 24 h.
    2. Quitar las muestras del agua, secar con aire comprimido y colocarlos en un horno de 120 ° C para 600 s para asegurar un retiro total del agua de la superficie. Cuando la superficie esté completamente seca, evaluar las propiedades de adherencia de soldadura después de la exposición al agua usando el protocolo descrito en la sección 2.1.2.

4. anti-hielo eficiencia evaluación

Nota: La evaluación de la eficacia de la formación de hielo se basa en los tres aspectos que se muestra en la figura 1.

  1. Prueba de goteo de agua subenfriado
    Nota: La repelencia de agua subenfriado de las muestras se prueba por medio de la configuración que se muestra en la figura 4a. La muestra se introduce en una cámara de congelación a – 20 ° C, que se fija sobre una plataforma inclinada (30 °). Una mezcla de hielo y agua destilada en equilibrio (a temperatura estable de 0 º C) se coloca fuera de la cámara de congelación.
    1. El agua fría dentro de la cámara mediante una bomba peristáltica de la bomba y que circule por el interior del congelador antes de ser goteado en la muestra en una baja tasa de 1 gota cada 3 segundos. Solo gotas tienen un volumen de aproximadamente 50 μl.
    2. Una vez que se inicia el proceso de goteo, capturar una imagen lateral de la muestra cada 10 s para determinar si se produce acumulación de hielo.
  2. Prueba del retraso de congelación
    1. Realice la prueba de retraso congelación dentro de la misma cámara congelación mencionada en la sección anterior.
    2. Determinar el porcentaje de gotas sessile depositado sobre la muestra que se congelan, para cada temperatura, durante un proceso de enfriamiento de la temperatura ambiente hasta unos-25 ° C. La preparación para esta prueba se muestra en la Figura 4b.
    3. Nivel de la muestra (con cero inclinación) y depositar gotas sésiles con cuidado para evitar roll-off. Debido a la alta movilidad de las gotas sobre superficies impermeables, colocar un menor número de ellos en muestras SH. Repita el experimento para SH superficies varias veces.
    4. Monitorear la temperatura y la humedad relativa mediante el uso de una sonda térmica. Controlar la humedad relativa (HR) con un humidificador comercial. El RH es de aproximadamente 95% cuando el humidificador esté encendido, y disminuye hasta aproximadamente el 40% cuando el humidificador esté apagado.
    5. Alrededor 200 gotas de 30 μL por muestra (gota de la congelación es un fenómeno estocástico, y el análisis requiere el uso de un gran número de gotas).
      Nota: Por lo tanto, para esta prueba utilizar muestras más grandes que los utilizados para el resto de los estudios. En este caso el tamaño es de 125 mm x 62,5 mm y adaptar el protocolo para serigrafiar o bien la muestra o el hydrophobize sus superficies a las nuevas dimensiones de la muestra.
    6. Coloque la muestra en medio de la parte inferior del congelador en la parte superior una plataforma aislante. Suavemente el depósito matriz de 70 gotas por muestra (25 para la muestra superhidrófobos). Cierre del congelador y enciéndalo.
      Nota: La temperatura disminuye linealmente en el tiempo de la temperatura ambiente hasta unos-25 ° C. La tasa de enfriamiento depende de la humedad relativa. A baja humedad relativa (humidificador desenchufado), todo el proceso tarda aproximadamente 2 horas, tarda menos tiempo (alrededor de 1 hora) si el humidificador esté conectado. Una vez que la temperatura es inferior a 0 ° C, las gotas comienzan a nuclear.
    7. Contar el número de gotas que se congelan para cada temperatura (en intervalos de 0,5 ° C), hasta que la totalidad de las gotas está congelada.
  3. Prueba de adherencia de hielo
    1. Cuantificar la fuerza que debe aplicarse para separar (pull off) un pedazo de hielo con un contacto controlable el área que se ha formado en cada muestra. Realizar estas pruebas utilizando el montaje que se ilustra en la figura 4C.
    2. Corte un tubo de politetrafluoroetileno con diámetro interno de 10 mm en cilindros de ~ 28 mm de altura con unas tijeras. Presione la botella de la muestra. Llenarlo con 1,2 mL de agua destilada. Introducir el cilindro lleno en la cámara de congelación y esperar 1 h.
      Nota: Una vez que el agua está totalmente congelado, la muestra con el cilindro se fija firmemente a una plataforma con una placa del huelguista.
    3. Atar la botella a un medidor de fuerza digital utilizando un hilo de nylon. La forma de que este cilindro se ata el hilo y la orientación del cilindro con respecto a la rosca depende de que tipo (esfuerzo cortante o la resistencia a la tracción) es bajo evaluación. Fijar este indicador a un banco de prueba motorizado. Cerrar la cámara de congelación y esperar para 600 s.
    4. Desplazar el indicador de la muestra a una velocidad constante de (10 ± 0,5) mm/min.
      1. Ajustar esta velocidad manualmente en el panel de control del Banco de prueba motorizado. Haga clic en el icono del programa de control de las lecturas del dinamómetro. Presione Inicio para registrar la fuerza.
      2. Inmediatamente después, mueva el dinamómetro hacia arriba manteniendo presionando la parte inferior de desplazamiento vertical del soporte motorizado panel de control.
    5. Cuando el desplazamiento del dinamómetro con respecto a la muestra produce una extensión de la rosca y una separación del hielo de la muestra, haga clic en detener y guardar el archivo de datos generado.
      Nota: El medidor controla la fuerza en términos de tiempo. Saber la velocidad en la que el dinamómetro es desplazada (10 mm/min), determinar la fuerza en términos de desplazamiento. Esto sirve para determinar la fuerza de ruptura (máxima fuerza de retención) y la fuerza de adherencia por unidad de área.
    6. Evaluar la adherencia de cortante cuando el pull-off se realiza lateralmente. La fuerza en este caso es paralelo aplicado al área de contacto (ver Figura 4b). Para ello, fijar la muestra verticalmente y conectar el cilindro de base con el hilo usando un anillo de metal. Tirar este anillo por el calibrador hasta que la muestra se separa de la superficie por el desplazamiento de cizalla.
      Nota: La prueba de resistencia de la adherencia evalúa la fuerza máxima y trabajo necesario separar un pedazo de hielo de la superficie cuando se tiró verticalmente.
    7. En este caso, perfore dos agujeros pequeños en la pared del cilindro que sirve para conectar el cilindro con el calibre. Luego, tire verticalmente hasta que el hielo finalmente se separa de la superficie.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Las propiedades humectantes y rugosidad de las superficies SH que se utilizaron en este estudio se muestran en la figura 5. El número promedio de rebotes medido para cada muestra se muestra en la figura 5a y figura 5bmuestra la rugosidad promedio. No existe correlación entre la rugosidad y adherencia de soldadura características. El número de rebotes medido para la muestra de Politetraflúoretileno recubierto está de acuerdo con la muestra de Ce-SA. Sin embargo, la muestra de Ce-SA es claramente más áspera (valor de Ra más de ~ 40%). En contraste, el valor de Ra para la muestra de FAS-17 es muy similar al politetrafluoretileno, mientras que sus propiedades de adherencia de soldadura son claramente diferentes.

En la figura 6 se analizó el efecto sobre las propiedades de adherencia de soldadura de tres pruebas de durabilidad: la prueba de abrasión lateral (Figura 6a), la prueba de impacto de partículas (figura 6b) y la exposición de UV-ozono (figura 6 c). Todas las muestras SH mostraron escasa resistencia mecánica, porque pierden propiedades de repelencia al agua después de 2 ciclos.

En cuanto a la prueba de UV-ozono, se ha observado que la capa de politetrafluoetileno seguía siendo inalterada después de varios ciclos, mientras que el resto de las superficies claramente sufrieron daños por al menos uno de estos agentes de desgaste. Todas las superficies mostraron una buena resistencia a la exposición prolongada de agua (sin cambio en los ángulos de desplazamiento). Debido a su irrelevancia, estos resultados no se muestran aquí.

La primera prueba de anti-hielo realizada fue la prueba de repelencia de agua subenfriado. Observamos que todas las superficies SH se comportaban de manera muy eficiente, evitando la acumulación de hielo subcooled el agua goteando durante más de 12 horas. Estos resultados son drásticamente diferentes de aquellos obtenidos para la muestra de aluminio sin recubrimiento, para la cual la acumulación de hielo ocurrió sólo 180 s después de empezar el proceso de goteo. La superficie de aluminio liso hidrofóbicos demostrada mejores resultados que la muestra sin recubrimiento, pero aún mucho peor que las superficies SH (acumulación de hielo después de 3 horas).

En cuanto a las pruebas de retardo congelación, no observamos diferencias notables entre las tres superficies SH utilizadas en este estudio. Sin embargo, encontramos diferencias importantes entre las superficies SH y el liso (hydrophobized y sin recubrimiento) superficies. En condiciones secas (baja hr), la superficie que retrasa la congelación mayor es la superficie de aluminio sin recubrimiento liso (Figura 7a), mientras que en condiciones húmedas (alta hr), el retraso de las superficies SH más eficientemente que el liso de congelación uno (figura 7b).

En la figura 8se muestran resultados de las pruebas de adherencia de hielo. Demuestran que las superficies SH son incapaces de reducir la cizalla (figura 8a) y adherencia de hielo resistencia a la tracción (figura 8b). Hielo la adherencia de la capa de Ce-SA fue claramente superior del resto. Estos resultados revelan que la rugosidad aumenta la adherencia del hielo.

Figure 1
Figura 1. Tres aspectos necesarios para el funcionamiento de anti-hielo. Repelencia al agua subenfriado, retardo de congelación y bajo esquileo/resistencia a adherencia de hielo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2. Esquema del protocolo seguido en este trabajo para fabricar y analizar el rendimiento de las superficies superhidrófobos. En primer lugar, se preparan las superficies. Se analizan propiedades segundo, su humedecimiento y aspereza, durabilidad próxima y, finalmente, su eficiencia de anti-hielo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3. Pruebas de durabilidad mecánica. (a) prueba de abrasión Lateral. (b) prueba de impacto de partículas (erosión). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4. Pruebas de rendimiento de anti-hielo. (a) prueba de goteo de agua subenfriado. (b) prueba de retardo de la congelación. prueba de adherencia de hielo (c) por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5. Propiedades de tracción adherencia y rugosidad de las superficies superhidrófobos para este estudio del agua. La adherencia de agua resistencia a la tracción es parametrizadas por (a) el número de rebotes de una gota de agua 4 μL lanzado sobre la muestra y (b) la aspereza por la amplitud de rugosidad ra Error barras en (a) y (b) Mostrar la variabilidad (desviación estándar) en el misma muestra después de llevar a cabo 3 experimentos de caída de rebote y después de adquirir al menos 4 topografías sola, respectivamente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 6
Figura 6. Ángulo de deslizamiento frente al número de ciclos para cada prueba de durabilidad. (a) prueba de abrasión Lateral. (b) impacto de partículas. (c) UV-ozono. Las barras de error muestran la variabilidad (desviación estándar) después de estudiar la dinámica de desplazamiento de tres gotas en cada muestra y para cada condición de desgaste.

Figure 7
Figura 7. Congelación demora pruebas. Las pruebas se realizaron sobre una superficie de aluminio liso hidrofóbico (película de fluoropolímero cubierta) y una superficie superhidrófobos (grabado y recubiertos con película de fluoropolímero) en condiciones (a) secas (RH ~ 40%) y (b) humedad (RH ~ 95%). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 8
Figura 8. Cuantificadas por la máxima fuerza y adherencia la fuerza de adherencia en hielo. (a) pruebas de adherencia de cortante. (b) pruebas de resistencia de adherencia. Estudiamos las tres superficies superhidrófobos de este estudio y otros analizaron una muestra de aluminio liso-hydrophobized (película de fluoropolímero revestido) y una muestra de aluminio sin tratar, para la comparación. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

En este papel demostramos estrategias para producir superficies hidrófugas sobre sustratos de aluminio. Además, muestran métodos para caracterizar sus propiedades humectantes, la rugosidad, la durabilidad y el rendimiento de anti-hielo.

Para preparar las superficies de la SH, se utilizaron dos estrategias. La primera estrategia incorpora el grado de rugosidad adecuada para lograr la estructura jerárquica intrínseca de las superficies SH por ácido. Este proceso es particularmente crítico, que puede requerir más trabajo para otros metales o aluminio sustratos con diferente composición. Buscando las condiciones de grabado apropiado puede ser un problema y en general, requiere un análisis del tiempo de grabado o de las concentraciones de ácido. Ácido se limita sólo a las superficies metálicas que son solubles en soluciones ácidas o superficies sin revestir. En este trabajo, hemos grabado el sustrato en HCl y hydrophobized más adelante con un fluoropolímero capa deposición o silanización (FAS-17), por consiguiente. La segunda estrategia utiliza una capa de ceria que incorpora las características de rugosidad. Esta capa se depositó por inmersión del grabado Al sustrato.

La respuesta de la humectación de las tres capas fue examinada con despedir a experimentos de la gota. Esta técnica es una mejora significativa con respecto a las técnicas existentes para el análisis de las propiedades de adherencia de soldadura de superficies superhidrófobos. La mayor repelencia al agua se obtuvo para las superficies cubiertas con fluoropolímero y Ce-SA, mientras que la repelencia más bajo se obtuvo con FAS-17. El grado de aspereza del politetrafluoetileno y FAS-17 muestras (Ra ~ 4 μm) es muy similar porque el protocolo de texturización era el mismo. No obstante, esperamos un mayor grado de cobertura de la muestra cubierta de politetrafluoroetileno, según ha confirmado en un anterior estudio13. La muestra cubierta con Ce-SA era la más áspera, pero su repelencia al agua era comparable a las muestras de politetrafluoretileno. Esto sugiere que rugosidad no necesario beneficio por encima de un determinado grado o rugosidad. Las tres superficies SH mostraron pobre durabilidad mecánica. Las muestras de Ce-SA demostraron una notable mejor resistencia a la abrasión que el resto (Figura 6a) del esquileo. De lo contrario, todas las superficies SH mostraron muy similar degradación después de la prueba de desgaste de abrasión de la arena. La superficie recubierta de politetrafluoroetileno resistió la prueba de desgaste de ozono UV muy eficientemente. Esto podría estar conectado a la alta estabilidad química de politetrafluoetileno36. Todas las superficies SH demostradas buena resistencia a la exposición prolongada de agua. En cuanto a la actuación de anti-hielo, llegamos a la conclusión que las superficies SH son muy eficientes como un agua subcooled repelente, ya que no hay acumulación de hielo se observó después de más de 12 horas bajo goteo constante de agua y otros como congelación demorados en húmedo condiciones (figura 7b). Esta observación está en buen acuerdo con los anteriores resultados24. Sin embargo, las pruebas de adherencia de hielo revelaron un rendimiento insatisfactorio de las superficies SH en comparación con las muestras de control suave utilizadas para esta prueba (sin recubrimiento y hydrophobized). Nuestros resultados confirman que la rugosidad mejora notablemente la adherencia del hielo (figura 8), que está en buen acuerdo con observaciones anteriores26. Que afectan al agua subenfriado y alta humedad son condiciones ambientales típicas de formación de hielo. Sin embargo, si inexorablemente se forma hielo en la superficie, la eliminación de hielo de las superficies SH puede ser una tarea muy difícil. Otras alternativas (revestimientos elastoméricos o superficies resbaladizas, por ejemplo) que no son superhidrófobos superficies son propuestas para aplicaciones de anti-hielo. Las técnicas presentadas en este trabajo para evaluar la durabilidad y propiedades de anti-hielo pueden usarse asimismo para comparar la eficacia de anti-hielo de estas superficies.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

No tenemos nada que revelar.

Acknowledgments

Esta investigación fue apoyada por los proyectos: MAT2014-60615-R y MAT2017-82182-R financiado por la Agencia Estatal de investigación (SRA) y el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Ingeniería número 138 superficies metálicas superhidrófobos durabilidad anti-hielo grabado ácido silanización hielo adherencia congelación demora
Fabricación de superficies metálicas superhidrófobos para aplicaciones anti-hielo
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Montes Ruiz-Cabello, F. J.,… More

Montes Ruiz-Cabello, F. J., Ibañez-Ibañez, P., Paz-Gomez, G., Cabrerizo-Vilchez, M., Rodriguez-Valverde, M. A. Fabrication of Superhydrophobic Metal Surfaces for Anti-Icing Applications. J. Vis. Exp. (138), e57635, doi:10.3791/57635 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter