Hur fungerar självrengörande och superomnifoba ytbeläggningar?

En vätskedroppe som placeras på en fast yta förändras minimalt när den dras eller trycks över ytan. Detta beror på låg kontaktvinkelhysteres och leder till att droppen behåller sin sfäriska form och möter ett minimum av motstånd vid rörelse. Denna egenskap är avgörande för utvecklingen av vätskeavvisande beläggningar – särskilt superomnifoba sådana, vilka avvisar praktiskt taget alla vätskor oavsett polaritet.

Men det finns en tredje kategori strukturer som flyttar forskningsfronten ännu längre: re-entrant-strukturer. Dessa, ofta kallade "partybordstrukturer", möjliggör en omnifobisk yta oberoende av den kemiska sammansättningen hos underlaget. Strukturen skapar luftfickor som hindrar vätskor från att nå ytan direkt och istället bildas ett luftskikt som verkar som en repulsiv barriär. Ytenergin blir därmed inte längre beroende av ytans kemi utan av dess geometri. Detta är särskilt intressant då det öppnar möjligheten att ersätta fluorerade kemikalier, som är föremål för regulatorisk granskning, med mer hållbara alternativ.

Superhydrofoba ytor kan tillverkas genom flera metoder såsom litografimönstring, plasmaetsning, kemisk ångavsättning (CVD), sol-gel-processer och skikt-för-skikt-uppbyggnad. Av dessa metoder erbjuder sol-gel-tekniken en relativt enkel väg till önskad nanomorfologi. Genom hydrolys och kondensering av silan- eller titanatbaserade prekursorer bildas sfäriska nanopartiklar som sammanlänkas i robusta 3D-nätverk. Dessa kan sedan beläggas på underlag via sprutning, doppning eller rullning, vilket efter härdning leder till bildandet av en vattenavvisande struktur enligt Cassie-Baxter-principen. För att uppnå detta används hydrofoba grupper såsom metylalkoxisilaner eller inkapsling med PDMS.

Det självrengörande fenomenet uppstår då vatten på grund av sin låga adhesion rullar över ytan och drar med sig smutspartiklar. Förutsättningen är att ytan har en lutning som överstiger rullvinkeln – vanligtvis mellan 10° och 15° – vilket gör att endast måttliga lutningar krävs för att effekten ska aktiveras. Ytorna är ofta transparenta eller något opaka och efterliknar underlagets färg och textur, vilket gör dem lämpliga för arkitektoniska tillämpningar.

Flera strategier undersöks för att förbättra slitstyrkan, däribland pH-variationer i sol-gel-processen för att stärka bindningen mellan partiklar och underlag. Självstratifierande beläggningar kan regenerera ytan, medan vitrimers – ett slags självlagande polymer – erbjuder autonoma reparationsmöjligheter efter skada.

Sådana lösningar representerar inte bara teknologiska framsteg utan även ett steg mot miljövänliga och underhållsfria ytor. Det är viktigt att förstå att verklig vätskeavvisning inte enbart är en fråga om kemi, utan om noggrant styrd mikro- och nanostruktur, ytenergi, samt systemets totala respons på omgivande krafter – såväl mekaniska som kemiska och fotofysiska.

Hur fungerar lågenergiytor och deras roll i vattenavvisande och smutsavvisande beläggningar?

Beläggningar med lågt ytenergi är centrala för att skapa ytor som är vatten- och smutsavvisande, vilket i sin tur minskar friktion och adhesion. Förståelsen av hur dessa beläggningar interagerar med underlaget är avgörande inom många applikationer, från lättstädade ytor till antigraffitimaterial och non-stick-beläggningar i köksutrustning. Trots att det inte finns en specifik marknadssektor som definieras som lågytenergibeläggningar, har flera non-stick-beläggningar liknande egenskaper eftersom deras ytor är anti-adhesiva tack vare låg ytenergi.

Medan de första två nivåerna huvudsakligen styrs av kemin på ytan, är morfologin, det vill säga ytan mikroskopiska struktur, avgörande för superhydrofobicitet. Liknande principer gäller för oleofobicitet, där ytan avvisar oljor, vilket är viktigt för antigraffitibeläggningar och kan mätas med exempelvis hexadekan.

En viktig kategori av lågenergibeläggningar är de som gör ytor lättstädade. Dessa är beläggningar som underlättar avlägsnandet av smuts och föroreningar genom att de inte fastnar på ytan. De är både hydrofoba och oleofoba, vilket innebär att vatten och oljiga ämnen stöts bort. Lättstädande beläggningar används i köksapparater, fordon och fritidsutrustning, där de förhindrar fläckar och smutsansamlingar, och ofta räcker det med att spraya vatten för att rengöra.

Moderna lättstädande beläggningar baseras ofta på keramiska lösningar via sol-gel-teknologi, preceramiska polymerer eller polysilazaner. Dessa är mer hållbara mot mekaniska, kemiska och väderrelaterade påfrestningar än äldre lösningar som PTFE och carnaubavax, vilka snarare är temporära ytskikt än egentliga beläggningar. Sol-gel-processen innebär att organiska och oorganiska prekursorer korslänkas, ofta via silanbaserade molekyler, som under hydrolys och kondensering bildar ett starkt nätverk med kemisk bindning till underlaget. Detta nätverk kan anpassas med alkyl-, siloxan- eller fluorinerade grupper för att optimera vatten- och oljeavvisande egenskaper.

Det är avgörande att förstå att lågt ytenergimaterial inte bara påverkar ytors vätbarhet utan även dess kemiska stabilitet och hållbarhet. Valet av kemiska grupper och deras integrering i beläggningen påverkar livslängden och funktionaliteten. Dessutom spelar ytmorfologi och beläggningstjocklek en betydande roll för slutlig prestanda, särskilt när det gäller extremt hydrofoba eller oleofoba ytor. Att utforma dessa system kräver därför en balans mellan kemisk sammansättning, fysikalisk struktur och applikationsspecifika krav.

Hur fungerar antifogbeläggningar och varför är vissa mer effektiva än andra?

Våtuppförandet av en yta, det vill säga dess förmåga att interagera med vatten, är avgörande för antifogegenskaper. Det beror till stor del på närvaron och mängden polära grupper som finns på ytan. Exempel på sådana grupper inkluderar hydroxyl (OH), karboxyl (COOH), ester (COOR), amino (NH₂), amid (NHCOR), sulfon (SO₃H) och fosfatgrupper (PO₄H₂). Dessa grupper möjliggör vätebindningar och dipol-dipol-interaktioner med vattenmolekyler, vilket resulterar i hög hydrofilicitet – en egenskap som aktivt förhindrar kondensation av vattenånga i form av imma.

Beläggningar som är rika på dessa grupper kan baseras på organiska eller oorganiska material. Bland de organiska återfinns naturliga polymerer såsom pullulan, cellulosa, alginat, kitin och kitosan, samt syntetiska polymerer som polyakrylat, zwitterjoniska polymerer och polymetakrylat. På den oorganiska sidan finns nanopartiklar av SiO₂ och TiO₂ som är särskilt intressanta. Dessa tillämpas ofta via sol-gel-metoder för att skapa tunna, tvådimensionella filmer som effektivt kan omvandla en yta till superhydrofil, med kontaktvinklar under 10°.

TiO₂-baserade antifogbeläggningar har visat sig vara särskilt effektiva under ideala förhållanden, men har en väsentlig begränsning: de kräver exponering för UV-ljus för att uppnå sin fulla hydrofiliska och fotokatalytiska kapacitet. Detta är problematiskt i miljöer där UV-ljus saknas – exempelvis inomhus eller bakom UV-skyddande glas.

Ytterligare utveckling har lett till antifogsystem baserade på polysilsesquioxaner (POSS) och sol-gelmaterial, ofta patenterade och kommersialiserade. Dessa hybridmaterial kombinerar hög kemisk och mekanisk resistens med inneboende hydrofilicitet. De är särskilt motståndskraftiga mot nötning, repor och kemikalier, vilket gör dem idealiska för långvarig användning i krävande miljöer, till exempel bilvindrutor, skyddsglasögon och andra optiska tillämpningar. Möjligheten att justera partikelstorleken för att bibehålla transparens utan att bryta ljus är avgörande, särskilt där klar sikt är avgörande.

POSS- och sol-gelbaserade antifogbeläggningar kan dessutom enkelt kombineras med hydrofila polymerer, vilket möjliggör skräddarsydd funktionalitet och kompatibilitet med olika substrat. Deras praktiska tillämpning, kombinerad med deras kemiska mångsidighet och kommersiella tillgänglighet, gör dem till några av de mest lovande lösningarna inom antifogteknologi i dagsläget.

Det är också väsentligt att förstå att hydrofilicitet inte är den enda nyckeln till effektiv antifogprestanda. Stabilitet över tid, vidhäftningsstyrka mot underlaget, motståndskraft mot termisk nedbrytning och den kemiska miljön spelar en avgörande roll. En beläggning som är hydrofil men bräcklig eller lätt att nöta bort tappar sin funktionalitet snabbt. Därför fokuseras dagens forskning alltmer på att integrera antifogegenskaper i materialens molekylära struktur snarare än att förlita sig på ytmodifiering enbart.