WikiDer > Superhydrophobe Beschichtung

EIN superhydrophobe Beschichtung ist eine wasserabweisende Schicht, die aus superhydrophoben Materialien besteht. Diese besteht oft aus Verbundwerkstoff, wobei eine Komponente für die Rauheit und die andere Komponente für die niedrige Oberflächenenergie sorgt.

Superhydrophobe Oberflächen

Ein klares Beispiel für eine superhydrophobe Oberfläche ist die Lotus Blume. Die Blätter dieser Blüte bilden mit dem Wassertropfen einen Kontaktwinkel von mehr als 150°, sodass die Tropfen leicht abfallen. Der Wassertropfen nimmt auch zusätzlichen Staub mit, so dass er auch einen selbstreinigenden Effekt hat.

Wassertropfen auf einer von Gas umgebenen Oberfläche. Der Kontaktwinkel ist der Winkel, den die Flüssigkeit im Dreiphasengebiet bildet.

Das Kontaktwinkel, wie oben erwähnt, ist ein wichtiger Aspekt superhydrophober Oberflächen. Um dies zu veranschaulichen, betrachten wir ein Tröpfchen auf einer festen Oberfläche, umgeben von Gas.

Der Kontaktwinkel θ ist definiert als der Winkel zwischen der festen Oberfläche und der Tangente der Flüssigkeit an der Stelle, wo die drei Phasen vorhanden. das_SL,_LG und_SG setze die Oberflächenspannung zwischen fest-flüssig, flüssig-gas bzw. fest-gas, ausgedrückt in J/m². γ_SG wird auch als Oberflächenenergie angesehen und ist dem Material selbst (rau oder glatt) inhärent.

Im Jahr 1805 Thomas Jung habe folgende Verbindung gefunden^[1]:

${displaystyle gamma _{SG}=gamma _{SL} gamma _{LG}cos(heta)}$

Mit der Young-Gleichung können wir entscheiden, ob eine Oberfläche hydrophob oder hydrophil ist. wenn_SG ist kleiner als_SL, dann ist der Kontaktwinkel > 90°, so dass die Oberfläche von Natur aus hydrophil ist. Umgekehrt, wenn γ_SG ist größer als γ_SL , dann ist der Kontaktwinkel < 90°, so dass die Oberfläche von Natur aus hydrophob ist.^[2]

Die rauen Oberflächen mit geringer Oberflächenenergie γ_SG stellen somit ein hohes θ bereit und sind für hydrophobe Anwendungen besser geeignet.

Materialien

Die am häufigsten verwendeten Materialien für superhydrophobe Beschichtungen sind die folgenden:

• Polystyrol Manganoxid (MnO₂ /PS)
• Zinkoxid-Polystyrol (ZnO/PS) Nano-Komposit
• Niedergeschlagen Kalziumkarbonat
• Silica Nano-Beschichtung
• Kohlenstoff-Nanoröhrchen Strukturen

Kieselsäure

Kieselsäure ist am einfachsten zu handhaben. Es ist ein Gel, in das ein Gegenstand getaucht oder als Spray verwendet werden kann. Die transparente superhydrophobe Beschichtung kann auf Fenstern (Glas im Allgemeinen), Fahrzeugen und dergleichen verwendet werden.

Ausgefälltes Calciumcarbonat

PCC (gefälltes Calciumcarbonat, CaCO₃) oder niedergeschlagen Kalziumkarbonat, entspricht einer gereinigten und raffinierten Form von Calciumcarbonat. PCC entsteht durch eine thermochemische Oberflächenbehandlung, bei der Kohlenstoff in Calciumhydroxid eingebracht wird. Dieses Verfahren wird auch „Kalkmilchverfahren“ genannt. Das Konzept dieses Prozesses ist wie folgt:

${displaystyle {ce {CaCO3-Wärme -> CaOCO2}}}$

Hinzufügen von Wasser zu Calciumoxid, um Calciumhydroxid zu erhalten:

${Displaystil {ce {CaO H2O -> Ca(OH)2}}}$

Die Kombination der aus den beiden Reaktionen erhaltenen Reaktionsprodukte führt zur Ausfällung von CaCO₃:

${displaystyle {ce {Ca(OH)2 CO2 -> CaCO3 H2O}}}$

Da das Calciumcarbonat zuerst abgebaut werden muss, kann es Verunreinigungen enthalten. Durch die Durchführung dieses Verfahrens wird das Calciumcarbonat gereinigt. Dies ist der erste Grund, warum dieser Prozess stattfindet. Darüber hinaus geschieht dies auch, weil der Prozess es der Substanz ermöglicht, verschiedene Kristallformen anzunehmen. Die formbestimmenden Faktoren sind: Temperatur, Druck, Bewegung (Bewegungsmöglichkeit). Jeder Kristall hat unterschiedliche physikalische Eigenschaften, wie zum Beispiel die Pulverdichte. Die verschiedenen Formen von PCC können als funktioneller Zusatz in Gummi, Kunststoff und sogar verwendet werden Klebstoff Stoffe. Im PCC-Verfahren lassen sich die Produkte klein und gleichmäßig mit großen Oberflächen und hoher Ölaufnahmefähigkeit herstellen. Die Zugabe einer Fettsäure sorgt dafür, dass sich der Staub in einem anderen Stoff stärker verteilen kann. Diese Eigenschaft kann mit einer superhydrophoben Beschichtung genutzt werden. Wird ein PCC mit organischer Substanz auf eine poröse Substanz aufgetragen, verhält sich der PCC wie eine wasserabweisende Substanz. Darüber hinaus sorgt der Zusatz einer organischen Substanz auch für eine erhöhte Verträglichkeit mit der Substanz, auf die das PCC aufgebracht wird. Der Betrieb wird somit optimiert.

Anwendungen

Widerstandsreduzierung^[3]

Die Flugzeug-, Fahrzeug- und Schiffsindustrie verwendet superhydrophobe Beschichtungen, um CO . zu reduzieren₂ den Verbrauch zu reduzieren. Die Flugzeuge, Fahrzeuge und Schiffe bewegen sich durch Luft und/oder Wasser. Die Luft und das Wasser bieten einen Widerstand, die Gegenkraft. Wenn diese Kraft reduziert werden kann, muss der Motor auch eine kleinere Gegenkraft überwinden.

Durch das Aufbringen einer superhydrophoben Deckschicht werden die Kontaktwinkel mit dem Wasser mit dem Substrat (zB Karosserien an Fahrzeugen) auf ca. 160° erhöhen. Dadurch haben die Wassertropfen eine kugelförmigere Form und rollen leichter vom Untergrund ab. Dies bietet einen kleineren Luftwiderstandsbeiwert, der die Gegenkraft proportional verringert, da letztere eine lineare Funktion des Luftwiderstandsbeiwertes ist.

Selbstreinigende Oberflächen^[4]

Superhydrophobe Beschichtungen können auch verwendet werden, um den "Selbstreinigungs"-Aspekt der Beschichtung zu nutzen. Dieser Auftrag stellt sicher, dass Oberflächen, auf die die Beschichtung aufgetragen wird, sauber gehalten werden.

Self-Cleaning Technology (SCT) wird u.a. Solarplatten oder die Windschutzscheibe eines Autos. Dies ist im ersten Fall notwendig, um den Energierückgewinnungsprozess zu maximieren (je schmutziger die Solarmodule, desto weniger Sonnenenergie können sie aufnehmen) oder im zweiten Fall, um sicherzustellen, dass die Transparenz der Fenster nicht beeinträchtigt wird. .

SCT bedeutet, dass die von der Beschichtung abgestoßenen Wassertropfen die Verunreinigungen, die sich auf dem Substrat bilden, entfernen können. Die Hauptschwierigkeiten bei dieser Anwendung sind Haltbarkeit und Stabilität. Das bedeutet, dass die SCT ihre Funktion verlieren kann, wenn die Bedingungen über einen längeren oder kurzen Zeitraum zu extrem sind. Eine Lösung dieser Schwierigkeiten wurde und wird in diesen Jahren gründlich untersucht, und somit werden superhydrophobe Schichten in diesem und vielen anderen Aspekten im Laufe der Jahre verbessert.

Referenz