Superhydrophobic surfaces by sustainable technology
- Reference number
- RMA08-0044
- Start and end dates
- 090701-150630
- Amount granted
- 14 900 000 SEK
- Administrative organization
- Lund University
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
The aim of the proposed project is to create self-cleaning, strongly water-repellent surfaces using supercritical carbon dioxide (SC-CO2) as a clean solvent. For the first time, paper, plastics, textiles and metallic surfaces will be made superhydrophobic using a fast and environmentally sustainable process based on “Rapid Expansion of Supercritical Solution” (RESS). Different naturally occurring hydrophobic, crystallizing substances and synthetic polymers will be evaluated by spraying them under different process conditions, and on different selected substrates. The polymeric substances are necessary under conditions where a high resistance towards surface wear is of importance. Superhydrophobicity will be combined with creation of anti-fouling surface properties by a combination of appropriate surface energy, surface priming and surface geometry. Important applications are for instance food packages, boat hulls and outdoors textiles. A fundamental study on phase equilibria for selected hydrophobic compounds in SC-CO2 will be evaluated initially followed by optimization of RESS parameters such as temperature and pressure of the SC-CO2. Obtained surfaces will be evaluated regarding physical and chemical properties by electron microscopy, water contact angle measurements, nanoscratching, and x-ray scattering. Preliminary results using an alkyl ketene dimer sprayed on different paper surfaces show water contact angles of up to 173°, in a process taking only a few seconds.
Popular science description
Termen superhydrofobicitet används för att beskriva effekten då en vattendroppe rullar av en yta istället för att glida av. När droppen rullar av ytan kan den också ta med sig smuts och på det sättet ”rena” ytan, likt Lotsublommans blad. Det som bestämmer hur vattnet uppför sig på ytan är både dess ytstruktur och kontaktvinkeln mellan vatten och ytan. En enkel tumregel är att ytor som har kontaktvinklar mot vatten över 150° brukar uppvisa superhydrofoba egenskaper. Syftet med projektet är att tillverka självrengörande och superhydrofoba ytor med superkritisk koldioxid (SC-CO2) som enda lösningsmedel. För första gången kommer papper, plast, textilier och metallytor att göras superhydrofoba i en snabb och miljömässigt hållbar process baserad på tekniken “Rapid Expansion of Supercritical Solution” (RESS). Processen går till på så vis att ett hydrofobt (vaxliknande) ämne löses upp i SC-CO2 och sedan släpps trycket snabbt varvid vaxet kristalliserar i välordnade strukturer med ojämnheter på olika strukturella nivåer. Koldioxiden kan återanvändas obegränsat antal gånger i det cirkulerande systemet. Olika naturligt förekommande hydrofoba, kristalliserande ämnen och syntetiska polymerer kommer att utvärderas genom att spraya dem under olika processförhållanden, och på olika typer av ytor, för att optimalt ge ytor som liknar lotusblommans självrengörande blad. De polymera substanserna är nödvändiga i de fall då hög slitstyrka mot ytan är nödvändig. Superhydrofobicitet kommer att kombineras med påväxthindrande (anti-fouling) ytegenskaper genom en kombination av lämplig ytenergi, ytförbehandling och ytgeometri. Viktiga applikationer är livsmedelsförpackningar, båtskrov, utomhustextilier och andra ytor där självrengörande, påväxthindrande egenskaper är viktiga. Initialt kommer grundläggande försök kring löslighet av utvalda hydrofoba ämnen i SC-CO2 att utvärderas, och därefter optimeras RESS parametrar som t.ex. temperatur och tryck av SC-CO2. De tillverkade modellytorna kommer att utvärderas med avseende på fysikaliska och kemiska egenskaper med hjälp av elektronmikroskopi, vattenkontaktvinkelmätningar, nanorepning och röntgenspridning. Preliminära resultat visar att då alkylketendimer, en kemikalie som dagligen används i pappersindustrin, sprayas på olika pappers- och silikaytor uppnås kontaktvinklar kring 173°, i en process som bara tar några få sekunder. Detta resultat kan jämföras med konventionella, hydrofoba papper som har kontaktvinklar mellan 110-115°.