Wat is het effect van hiërarchische en re-intrerende structuren op zelfreinigende coatings?

De eigenschap van vloeistofdruppels op vaste oppervlakken is vaak onderwerp van onderzoek in de ontwikkeling van zelfreinigende coatings. Wanneer een vloeistofdruppel over een vast oppervlak wordt geduwd of getrokken, verandert de vorm van de druppel minimaal. Dit betekent dat de druppel weinig weerstand biedt tegen beweging en zijn ronde vorm behoudt. Deze eigenschap is belangrijk voor coatings die water- en vuilafstotende eigenschappen moeten vertonen. Hiërarchische structuren zijn bijzonder effectief in het verlagen van de hysteresis van de contacthoek, wat van belang is voor lage schuifhoeken en relevant is voor coatings die omnitafse of allesafstotende eigenschappen bezitten. Coatings met dergelijke structuren hebben de neiging om betere vloeistofafstotende eigenschappen te tonen (Figuur 4.4 en 4.5) [115]. Wanneer vergeleken met platte oppervlakken, tonen hiërarchische structuren contacthoeken van meer dan 150°, wat aanzienlijk hoger is dan de contacthoeken van platte oppervlakken, die meestal net boven de 100° liggen.

De evolutie van de materialen heeft geleid tot het gebruik van hiërarchische structuren om superomniphobische oppervlakken te verkrijgen. Het onderzoek richt zich tegenwoordig ook op re-intrerende structuren, zogenaamde 'party table' structuren, die elk oppervlak omniphobisch kunnen maken, ongeacht de chemische samenstelling (Figuur 4.6) [117]. Re-intrerende oppervlakken vertonen een textuur die kleine luchtzakken creëert, die voorkomen dat de vloeistof direct in contact komt met het oppervlak. De luchtzakken creëren een repellerende kracht die de vloeistof wegduwt. Een groot voordeel van re-intrerende structuren is dat de oppervlaktenergie onafhankelijk is van de chemie van het oppervlak en alleen afhankelijk is van de luchtzakken die door deze structuren worden gecreëerd.

Naast de superomniphobische eigenschappen en mogelijk anti-vingerafdrukken, zijn dergelijke oppervlakken van belang voor anticorrosie- en antifoulinggedrag. Dit onderzoek is relevant, aangezien het, door grotendeels onafhankelijk te zijn van de oppervlaktchemie, coating systemen verder kan helpen weg van traditionele op fluor gebaseerde chemische stoffen die momenteel door verschillende overheidsinstanties onder de loep worden genomen.

Superhydrofobe oppervlakken kunnen worden vervaardigd door verschillende methoden, waaronder lithografisch patrooneren [118, 119], plasma-etsen [120], chemische dampdepositie (CVD) [121], sol-gel methoden [122], en laag-voor-laag assemblage plus fase scheiding [123]. Van de verschillende methoden is de sol-gel methode een gemakkelijke route, omdat dit proces de vorming van bolvormige deeltjes bevordert die ideaal zijn voor het creëren van nanomorfologie, wat hoge watercontacthoeken (WCA) mogelijk maakt [124, 125].

Het proces van het maken van een superhydrofobe coating volgens de sol-gel methode kan schematisch worden weergegeven (Figuur 4.7). Hierbij worden silaan- of titanaatprecursors gecombineerd om nanodeeltjes te produceren die slechts een paar dozijn nanometers groot zijn. Deze deeltjes vormen robuuste, onderling verbonden netwerken. De buitenste laag van de structuur moet hydrofobe eigenschappen bezitten om te voldoen aan het Cassie-Baxter principe, dat vereist dat de druppel over het oppervlak 'klettert' zonder zich eraan vast te hechten.

Het zelfreinigende effect van deze coatings kan worden verklaard doordat het waterdruppeltje over het oppervlak glijdt vanwege de lage affiniteit voor het oppervlak, waarbij vuil en stof worden meegenomen (Figuur 4.8). Het is essentieel dat het oppervlak onder een bepaalde helling staat, idealiter groter dan de schuifhoek (de hoek waarbij een druppel begint af te rollen). Superhydrofobe coatings vertonen doorgaans schuifhoeken tussen de 10° en 15°, wat betekent dat alleen lichte hellingen nodig zijn voor het zelfreinigende proces om te werken.

In tegenstelling tot de algemene overtuiging zijn superhydrofobe coatings vervaardigd om weersbestendig en bestand tegen chemische aanvallen te zijn. Dit maakt ze geschikt voor gebruik op buitenmuren van gebouwen, huizen en architectonisch erfgoed, die doorgaans niet vaak worden gecoat. Bovendien vertonen superhydrofobe coatings vaak een doorschijnende of licht opake verschijning, die de kleur en textuur van het onderliggende substraat weerspiegelt, zoals beton of andere op minerale basis gemaakte materialen. Aangezien de gecoate muren droog blijven bij regenachtige omstandigheden, verhogen deze coatings de isolatiewaarde van het gebouw aanzienlijk, waardoor watercapillariteit wordt verminderd.

Een belangrijk verbeterpunt voor superhydrofobe coatings is echter de weerstand tegen mechanische stress, die essentieel is in gebieden met veel verkeer. Zelfs lichte slijtage kan het waterafstotende effect aanzienlijk verminderen. Er zijn verschillende strategieën voorgesteld om de duurzaamheid van het superhydrofobe effect te verbeteren. Binnen de sol-gel methode kan het variëren van de pH de hechtingssterkte aan het substraat en de onderlinge verbindingen van het netwerk verbeteren, wat de slijtvastheid ten goede komt. Zelf-stratificerende coatings bieden een veelbelovende benadering, omdat ze in staat zijn om versleten oppervlakken aan te vullen. Vitrimer-gebaseerde zelfherstellende materialen, zoals recent onderzoek heeft aangetoond, zouden geïntegreerd kunnen worden in superhydrofobe coatings om autonoom herstel na mechanische schade mogelijk te maken [128].

De toepassing van fotokatalytische coatings op oppervlakken voegt een andere dimensie toe aan het concept van zelfreiniging. Nano-titaniumoxide sol-gels, met sterke fotokatalytische prestaties, activeren licht om reactieve zuurstofsoorten (ROS) te vormen die organisch materiaal zoals vuil afbreken. Dergelijke coatings creëren ook een superhydrofiele oppervlakte die een water-sheeting effect mogelijk maakt, waardoor vuil en vuil van het oppervlak worden meegenomen. Dit effect is vaak langzaam en heeft enkele uren nodig om zich volledig te manifesteren. Fotokatalytische coatings presteren goed in omgevingen waar oppervlakken regelmatig maar licht vervuild worden, zoals op gebouwen, zonnepanelen en metalen structuren (Figuur 4.9). Het voordeel van fotokatalyse is niet alleen het afbreken van organisch materiaal, maar ook het water-sheeting effect, wat bijdraagt aan het onderhoud van schone oppervlakken.

Een interessant toepassingsgebied voor fotokatalytische coatings is op zonnepanelen, waar het bijdraagt aan een verhoogde energieproductie door de oppervlakken schoon te houden en de ophoping van vuil te verminderen.

Waarom zijn nanodeeltjes zo belangrijk voor de technologie van de toekomst?

De experimenten van Michael Faraday, die de invloed van colloïdale suspensies op licht onderzocht, leiden tot de conclusie dat Faraday eigenlijk nanomaterialen maakte die we tegenwoordig als nanodeeltjes zouden aanduiden, met een grootte van 1 tot 100 nanometer. Faradays baanbrekende werk wordt vaak beschouwd als een van de eerste wetenschappelijke onderzoeken naar nanomaterialen, hoewel de term "nanodeeltjes" pas twee eeuwen later werd geïntroduceerd. Het is duidelijk dat zijn werk een blijvende impact heeft gehad op de ontwikkeling van de nanotechnologie.

Nanodeeltjes worden vaak gezien als een cruciaal element in moderne technologieën. Wanneer we de grootte van een deeltje verkleinen, zal de totale oppervlakte van alle deeltjes samen toenemen, en zullen de eigenschappen van het buitenste oppervlak beginnen te domineren in plaats van de interne eigenschappen van het materiaal. Dit is te vergelijken met het idee dat als we honderd mensen dicht bij elkaar plaatsen en hen vragen hun handen naar buiten te steken, we alleen de handen van degenen aan de buitenkant zullen zien. Als we de honderd mensen nu opdelen in kleinere groepen, bijvoorbeeld van vier personen, zullen we niet alleen de handen van de mensen aan de buitenkant kunnen zien, maar ook die van degenen die eerder in het midden stonden. Door de mensen in kleinere groepen op te delen, krijgen we toegang tot meer handen, en het buitenste gedeelte van het lichaam, de handen, begint te domineren.

Deze analogie legt uit hoe de eigenschappen van nanodeeltjes ontstaan. Omdat nanodeeltjes slechts uit enkele moleculen bestaan, kunnen hun eigenschappen vanaf het chemische tekentafelniveau worden ontworpen. Als we bijvoorbeeld meer "handen" willen, kunnen we moleculaire handen creëren; als we meer "voeten" willen, kunnen we moleculaire voeten maken. Dit toont aan hoe de kleine grootte van nanodeeltjes ervoor zorgt dat de moleculaire functionaliteit een dominantere invloed heeft op de eigenschappen. Wanneer de deeltjes kleiner worden, neemt de verhouding van het oppervlak ten opzichte van het volume toe. Bij nanodeeltjes is deze verhouding bijzonder groot, wat resulteert in een groot aantal atomen die zich aan de oppervlakte bevinden, in plaats van in de kern van het deeltje. Deze grote oppervlakte-ten-opzichte-van-volumeverhouding is van cruciaal belang voor de unieke fysische, chemische en mechanische eigenschappen die nanodeeltjes vertonen in vergelijking met bulkmaterialen.

De eigenschappen van nanodeeltjes omvatten onder andere optische, elektrische en magnetische kenmerken. Door de deeltjesgrootte te verkleinen tot nanometerformaat, ontstaan er extra elektronische condities. Nanodeeltjes gedragen zich meer als atomen dan als vaste stoffen, en door hun kleine omvang beginnen zelfs kwantummechanische effecten hun gedrag te domineren. Op nanometerschaal wordt het kwantumgrootte-effect steeds sterker merkbaar. Dit effect beschrijft de fysica van de elektroneneigenschappen in vaste stoffen met dramatisch verlaagde deeltjesgroottes. Dit effect is niet waarneembaar op macroschaal, maar wordt wel evident op nanoschaal.

Bijvoorbeeld, stoffen die op macroschaal ondoorzichtig zijn, kunnen op nanoschaal transparant worden (zoals nano-ijzeroxide); inerte materialen kunnen katalysatoren worden (zoals platinum); metalen kunnen zich als vloeistofdruppels gedragen, terwijl hun interieur de kristalstructuur behoudt; en isolatoren kunnen geleiders worden (zoals silicium). Nanomaterialen komen in verschillende vormen voor. Terwijl nanodeeltjes meestal driedimensionale bolvormige structuren zijn, vertegenwoordigt bijvoorbeeld grafeen een tweedimensionaal plaatachtig nanomateriaal. Nanomaterialen zoals koolstofnanobuizen (CNT) en nanocellulose hebben buisvormige structuren met bijzonder hoge aspectverhoudingen (de lengte gedeeld door de diameter van de buis).

Als we het hebben over nanodeeltjes, hebben we het in wezen over primaire deeltjes. Primaire deeltjes komen in verschillende geometrische vormen voor, zoals bolvormig, kubusvormig of staafvormig. Primaire deeltjes zijn de kleinste ondeelbare eenheden binnen een materiaal. Aggregaten zijn samenklontering van verschillende primaire deeltjes in een specifieke kristalstructuur. Van nature is het totale specifieke oppervlak van aggregaten kleiner dan de som van de oppervlakken van de primaire deeltjes, omdat de clustering bepaalde delen van het oorspronkelijke deeltje bedekt. Zodra aggregaten zijn gevormd, is het vrijwel onmogelijk om ze weer in primaire deeltjes te splitsen, aangezien de thermodynamische krachten te groot zijn.

Agglomeraatdeeltjes zijn losjes aan elkaar gebonden primaire deeltjes of aggregaten, zonder gedefinieerde vorm, die kunnen breken en zich in een andere vorm kunnen hergroeperen. De mechanische eigenschappen van materialen komen voort uit de bulk-eigenschappen die meestal worden gedefinieerd door geaggregeerde en geagglomereerde deeltjes. In aggregaten en agglomeraten zijn bewegingen nog steeds mogelijk, wat betekent dat er een elastische modulus aanwezig is. Binnen de agglomeratie kunnen de deeltjes nog ten opzichte van elkaar bewegen. Primaire deeltjes daarentegen bieden de intrinsieke mechanische eigenschappen van een materiaal. Binnen primaire deeltjes is er geen elasticiteit en kunnen de hoogste mechanische eigenschappen aan het materiaal worden toegeschreven wanneer het zich in de vorm van primaire deeltjes bevindt.

Nanodeeltjes hebben de mogelijkheid om te worden geïntegreerd in verschillende systemen, zoals coatings, kunststoffen en composieten, waardoor nieuwe materialen met verbeterde functionaliteiten kunnen worden ontwikkeld. Wanneer nanodeeltjes in coatingsystemen worden opgenomen, kunnen ze buitengewone mechanische eigenschappen toevoegen. Het internationale verfbedrijf PPG heeft bijvoorbeeld Ceramiclear® ontwikkeld, een automotive clearcoat met uitstekende krasbestendigheid. Deze polysiloxaan-gebaseerde coating bevat metaaloxide-nanodeeltjes, met een deeltjesgrootte van 10-15 nm. Wanneer deze nanodeeltjes worden geïntegreerd, resulteert dit in een coating met een uitstekende glansbehoud, superieure krasbestendigheid en weerstand tegen weersomstandigheden.

Hoewel het toevoegen van deeltjes aan coatingsystemen normaal gesproken leidt tot verbeterde mechanische en verweringseigenschappen, gaat dit vaak ten koste van de esthetische eigenschappen van de coating. Deeltjes die licht verstoren, kunnen doffe oppervlakken veroorzaken. In het geval van Ceramiclear® is de deeltjesgrootte echter lager dan de brekingsindex van licht, waardoor er geen verstoring van het glansniveau optreedt. Boehmiet (Al2O3) kan ook als nanodeeltje worden gebruikt om zijn typische eigenschappen zoals hardheid en taaiheid te manifesteren. Boehmiet-nanodeeltjes werden in combinatie met sol-gelchemie gebruikt om een van de eerste succesvolle hybride systemen te genereren, een combinatie van organische en anorganische chemie.

Hoe kun je de hechting van ijs verminderen met innovatieve coatings en materialen?

De interactie tussen ijs en oppervlakken heeft niet alleen praktische implicaties voor de luchtvaart en de scheepvaart, maar ook voor een breed scala van industriële toepassingen. Het begrijpen van de mechanismen die ten grondslag liggen aan de hechting van ijs en het ontwikkelen van effectieve coatings om deze hechting te verminderen, is essentieel voor het verbeteren van de prestaties en veiligheid van verschillende systemen. Dit proces, bekend als ijsafstoting of icephobiciteit, heeft geleid tot de ontwikkeling van tal van geavanceerde materialen en coatings, die het vermogen om ijs te vermijden of te verwijderen verbeteren.

De basisprincipes van ijshechting kunnen worden verklaard door het concept van de interface tussen ijs en het oppervlak van het materiaal. IJs heeft van nature de neiging om te binden aan oppervlakken vanwege de moleculaire interacties tussen het ijs en het materiaal. Dit proces wordt vaak versterkt door koude temperaturen, waardoor het moeilijk wordt om het ijs te verwijderen zonder extra energie. Het is hierbij belangrijk om te begrijpen dat de eigenschappen van het oppervlak, zoals textuur, chemische samenstelling en hydrophobiteit, een cruciale rol spelen in hoe goed een materiaal bestand is tegen ijsafzetting.

In de afgelopen jaren is er aanzienlijke vooruitgang geboekt in het ontwerp van superhydrofobe en superamfifobische oppervlakken, die het potentieel hebben om de hechting van ijs te minimaliseren. Superhydrofobe oppervlakken vertonen een extreme waterafstotende eigenschap, wat betekent dat waterdruppels snel van het oppervlak rollen en zich nauwelijks hechten. Dit concept heeft echter niet altijd hetzelfde effect op ijs, aangezien bevroren water anders interacteert met materialen dan vloeibaar water. Onderzoekers hebben daarom materialen ontwikkeld die zowel waterafstotend als ijsafstotend zijn, door gebruik te maken van speciale coatings of structuren die de hechting van ijs verminderen zonder de prestaties van het oppervlak in andere omgevingen te beïnvloeden.

Een belangrijk voorbeeld van dergelijke innovaties zijn coatings gebaseerd op polydimethylsiloxaan (PDMS), een siliconenverbinding die wordt gecombineerd met oliën om het oppervlak een vloeibare film te geven die ijsafzetting voorkomt. Deze coatings kunnen worden geoptimaliseerd door verschillende stoffen toe te voegen, zoals koolstofnanobuizen of andere nanostructuren, die de mechanische eigenschappen van het oppervlak verbeteren. In sommige gevallen wordt het anti-ijseffect verder versterkt door gebruik te maken van een zelf-smeermiddel, zoals water, dat zich tussen het ijs en het materiaaloppervlak bevindt, waardoor de hechting aanzienlijk wordt verminderd.

Daarnaast worden ook hybride materialen onderzocht, zoals epoxyharsen gevuld met nanostructuren, die niet alleen de hechting van ijs verminderen, maar ook de de-icingcapaciteit verbeteren door middel van zelfverhitting door het Joule-effect. Dit is vooral van belang voor toepassingen in de luchtvaart, waar het verwijderen van ijs op vliegtuigen essentieel is voor de veiligheid en prestaties.

Het begrijpen van de fysische en chemische principes die de prestaties van deze coatings beïnvloeden, is cruciaal. Bijvoorbeeld, de invloed van temperatuur, vochtigheid en luchtstroom kan de effectiviteit van een ijsafstotende coating aanzienlijk beïnvloeden. Coatings die in laboratoriumomstandigheden uitstekend presteren, kunnen in de praktijk minder effectief zijn vanwege de veranderende omgevingsomstandigheden. Het is daarom essentieel om de langetermijnstabiliteit en de duurzaamheid van dergelijke coatings te evalueren, vooral in realistische omstandigheden waarin ijs kan oplopen en zich in verschillende vormen manifesteert.

Naast de technologische ontwikkelingen is het ook belangrijk om de economische en ecologische impact van ijsafstotende materialen te overwegen. De kosten van de productie van geavanceerde coatings kunnen variëren, afhankelijk van de gebruikte materialen en productiemethoden. Het is essentieel dat industriële toepassingen gebruik maken van kosteneffectieve en milieuvriendelijke oplossingen. Dit kan bijvoorbeeld door te investeren in materialen die zowel de prestaties verbeteren als de milieu-impact verminderen, zoals biogebaseerde coatings of coatings die minder giftige stoffen bevatten.

Verder moet er aandacht worden besteed aan de impact van ijsafstotende coatings op andere aspecten van het materiaal. Bijvoorbeeld, het gebruik van bepaalde coatings kan de slijtvastheid of de krasbestendigheid van het oppervlak verminderen, wat van invloed kan zijn op de lange-termijnprestatie van het materiaal. Het is dus van groot belang om een balans te vinden tussen de verschillende prestatie-eisen van een coating, zoals de effectiviteit tegen ijsafzetting, duurzaamheid en andere mechanische eigenschappen.

Tot slot, hoewel veel van de technologieën die momenteel beschikbaar zijn veelbelovend zijn, is er nog steeds ruimte voor verbetering. Onderzoekers blijven werken aan het verbeteren van de prestaties van ijsafstotende coatings en het ontwikkelen van nieuwe benaderingen, zoals het gebruik van zelfherstellende materialen of coatings die hun eigenschappen aanpassen afhankelijk van de omgevingsomstandigheden. Door deze voortdurende innovaties kan de toekomst van ijsafstotende technologieën de efficiëntie en veiligheid in veel sectoren drastisch verbeteren.