Superficie in alluminio microstrutturato superidrofobico e oleorepellente con lunga durata in ambienti corrosivi

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 1737 (2023) Citare questo articolo

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Superfici di alluminio superidrofobiche (SHP) e oleofobiche sono state preparate attraverso la combinazione di un processo di microstrutturazione chimica scalabile e di funzionalizzazione superficiale con porzioni polifluoroalchiliche a catena lunga. L'effetto di uno strato anodico sulla superficie microstrutturata è stato valutato considerando la morfologia superficiale, la superidrofobicità, le proprietà meccaniche superficiali e il miglioramento della protezione dalla corrosione. La funzionalizzazione superficiale con porzioni polifluoroalchiliche è stata affrontata in due modi diversi: (i) innesto delle porzioni polifluoroalchiliche e (ii) deposizione di un sottile rivestimento ibrido a basso contenuto di composto contenente polifluoroalchile. Sono state ottenute superfici in alluminio che mostrano un'elevata durabilità in ambienti di nebbia salina, che mantengono le proprietà SHP e oleofobiche almeno fino a 2016 ore. Le applicazioni per questo tipo di superfici spaziano da superfici facili da pulire a funzionalità antighiaccio o anticondensa che potrebbero interessare diversi settori.

Le leghe di alluminio sono ampiamente utilizzate in un'ampia varietà di settori tra cui l'edilizia, l'automotive, la marina, l'aeronautica o gli elettrodomestici grazie alle loro eccellenti proprietà, come un'elevata resistenza specifica superiore, una notevole conduttività elettrica o un peso specifico relativamente basso. Negli ultimi anni, la richiesta di superfici con nuove proprietà come autopulenti1 o antighiaccio2,3 che presentino anche un'elevata resistenza alla corrosione4 ha guidato la ricerca su nuovi trattamenti superficiali che presentino superidrofobicità, ovvero angolo di contatto con l'acqua (WCA) superiore a 150° con angoli di scorrimento inferiori a 5°5 e oleofobicità, ovvero angolo di contatto superiore a 90° con liquidi a bassa energia come l'esadecano.

La superidrofobicità di una superficie è governata sia dalla sua composizione che dalla sua morfologia. Il WCA massimo delle superfici lisce a bassa energia interfacciale difficilmente può raggiungere 110–120°. Pertanto, per ottenere la superidrofobicità, la superficie deve combinare caratteristiche chimiche e morfologiche, come studiato da molti autori5,6. Grazie alla personalizzazione della ruvidità superficiale specifica (micro-nanotexturing), l'idrofobicità di una superficie con bassa energia interfacciale può essere ulteriormente aumentata (da Cassie-Baxter allo stato di Wenzel), portando alla superidrofobicità. In letteratura sono riportati diversi metodi per personalizzare la rugosità superficiale come la lavorazione meccanica7, l'attacco chimico8,9,10, la lavorazione elettrochimica11, la testurizzazione laser12 o l'anodizzazione13. Tuttavia, l’implementazione di alcuni di essi a livello industriale risulta impegnativa a causa di tempi e costi di lavorazione relativamente elevati o della difficoltà di trattare pezzi non piani o geometrie complesse. Inoltre, il metodo applicato può influenzare le proprietà del materiale come meccanica, durabilità o resistenza alla corrosione.

Considerando che l’industria richiede efficienza in termini di costi e proprietà omogenee in pezzi a geometria complessa, diversi processi chimici che consentono la produzione su larga scala sono considerati potenzialmente adatti per la produzione di parti in alluminio superidrofobiche (SHP) e oleofobiche.

Tra le pubblicazioni riguardanti le superfici di alluminio idroelettrico trattate chimicamente, solo poche studiano l'oleofobicità10. Le superfici che respingono sia l'acqua (idrofobiche) che l'olio (oleofobiche), chiamate anfifobiche, sono più difficili da lavorare rispetto alle superfici con proprietà semplicemente idrofobiche14. Ad esempio, Choi et al.15 hanno ottenuto superfici gerarchiche di alluminio SHP e oleorepellenti con diverse morfologie utilizzando tre diversi tipi di processi di attacco chimico a base alcalina. Carneiro et al.16 hanno ottenuto superfici SHP e oleorepellenti in alluminio attraverso l'attacco chimico seguito dalla deposizione di rivestimenti di silicato organicamente modificati sintetizzati con metodi sol-gel. Varshney et al.17 hanno ottenuto superfici in alluminio SHP con proprietà autopulenti e antiappannamento mediante attacco chimico e passivazione con acido laurico. Ruan et al.18 hanno ottenuto diverse superfici di alluminio SHP con funzionalità antighiaccio attraverso specifici metodi di ossidazione anodica elettrochimica e attacco chimico che semplificano le procedure di fabbricazione per l'ottenimento di superfici SHP. Barthwal et al.19 hanno fabbricato un alluminio superanfifobico meccanicamente stabile, cioè WCA e angolo di contatto esadecano (HCA) superiore a 150°, combinando semplice attacco chimico e anodizzazione con innesto di 1H,1H,2H,2H-perfluoroottiltriclorosilano (FAS13). Più recentemente, Kikuchi et al.20 hanno prodotto una superficie di alluminio superanfifobica (gli angoli di contatto dell'acqua e del dodecano erano superiori a 150°) combinando metodi di attacco elettrochimico (in soluzione di acido cloridrico) e anodizzazione (in soluzione di acido pirofosforico) dimostrando angoli di contatto elevati con diversi scorrimento angoli dipendenti dal tempo di anodizzazione.