Een nieuwe oplosmiddelvrije techniek zou de vervaardiging van superhydrofobe en anti-ijsvormingsmaterialen kunnen vereenvoudigen. De techniek, die kan worden gebruikt om bijna elk oppervlak extreem waterafstotend te maken, heeft talloze potentiële toepassingen, waaronder - maar niet beperkt tot - vliegtuigvleugels, biomedische apparaten, weerstandsreductiesystemen, batterij-elektroden en katalysatoroppervlakken.
Superhydrofobe materialen worden gedefinieerd als materialen die waterdruppels afstoten met een contacthoek (de hoek waaronder het oppervlak van het water het oppervlak van het materiaal raakt) van meer dan 150°. Deze materialen hebben ook een lage oppervlakte-energie en een ruw oppervlak op micronschaal.
De huidige technieken om dergelijke materialen te maken zijn echter complex en omvatten vaak het gebruik van agressieve chemicaliën. Een team van onderzoekers onder leiding van James tour en C Fred Higgs III van Rice University in de VS heeft nu een eenstaps, oplosmiddelvrije schuurmethode ontwikkeld die superhydrofobe oppervlakken kan creëren met een contacthoek van bijna 164°.
De onderzoekers gebruikten commercieel schuurpapier om geselecteerde poederadditieven, zoals grafeen, molybdeendisulfide, teflon en boornitride, te introduceren in de oppervlakken van materialen zoals teflon, polypropyleen, polystyreen, polyvinylchloride en polydimethylsiloxaan. Het schuurpapier is gemaakt van aluminiumoxide met korrelgroottes tussen 180 en 2000.
Tribofilm vorming
"Tijdens het inzandproces vergemakkelijkt de introductie van poeder tussen de wrijvende oppervlakken de vorming van een tribofilm", legt Tour uit. "Een tribofilm vormt zich in een chemische reactie op oppervlakken die tegen elkaar glijden en functioneleert het oppervlak om water nog meer af te stoten."
"Het schuren veroorzaakt ook structurele veranderingen en massa- en elektronenoverdracht om de oppervlakte-energie van de substraten te verlagen", voegt Higgs toe.
Een breed scala aan oppervlakken kan in enkele minuten superhydrofoob worden gemaakt, vertelt Tour Natuurkunde wereld. Dit benadrukt het brede scala aan mogelijke toepassingen van de geschuurde oppervlakken.
"Vliegtuigfabrikanten willen geen ijsvorming op hun vleugels, scheepskapiteins willen niet dat ze worden afgeremd door aangehechte oceaanmicroben en biomedische apparaten moeten biofouling voorkomen, waarbij bacteriën zich ophopen op natte oppervlakken", zegt Higgs. "Robuuste, duurzame superhydrofobe oppervlakken geproduceerd met deze in één stap in te schuren methode kunnen veel van deze problemen verlichten."
Superhydrofobe oppervlakken worden harder
Higgs merkt op dat andere technieken die worden gebruikt om hydrofobe oppervlakken te genereren, niet kunnen worden opgeschaald naar grote oppervlakken, zoals die op vliegtuigen en schepen. "Eenvoudige applicatietechnieken zoals hier ontwikkeld, moeten schaalbaar zijn", zegt hij.
Robuuste superhydrofobiciteit
De superhydrofobe materialen zijn extreem robuust. Ze bleven inderdaad waterafstotend, zelfs na 100 afpeltesten met plakband en na 130 uur blootstelling aan 24°C aan de lucht. Ze 18 maanden in de hete Texaanse zon laten liggen had ook geen invloed op hun eigenschappen. En als de materialen toch beginnen te begeven, kunnen ze eenvoudig opgefrist worden door ze simpelweg opnieuw te schuren met dezelfde poederadditieven.
De Rice-onderzoekers willen nu hun inzandtechniek toepassen op een heel ander type substraat: de metalen oppervlakken die worden gebruikt om oplaadbare batterijen te maken. Ze rapporteerden inderdaad onlangs tests op lithium- en natriumfolies. "De rol van de tribofilm hier was om de binnenkomende ionenstroom in de batterij-elektrolyt te reguleren om het gedrag van metaalafzetting / strippen tijdens het fietsen van de batterij te verbeteren", legt Tour uit.
De onderzoekers beschrijven hun werk in ACS toegepaste materialen.
