Control of Wettability Using Flame Generated Multicomponent Nanoparticle Coatings

Abstract

Pintojen kastuvuuden muokkaaminen on ollut yksi tärkeimmistä tutkimusaiheista jo vuosia. Kehitysidea vettähylkiviin ja vesihakuisiin pintoihin on tullut alun perin luonnon esimerkeistä. Yleisin tapa muokata pinnan kastumista on valmistaa pinnalle toiminnallinen nanopinnoite. Tässä työssä valmistettiin toiminnallisia nanopinnoitteita kartonki-, puu- ja lasipinnoille. Menetelmänä käytettiin nesteliekkiruiskutusta (Liquid Flame Spray, LFS), jossa nanohiukkasia muodostetaan aerosolimenetelmällä. Superhydrofobisia eli vettähylkiviä ja superhydrofiilisiä eli vesihakuisia pinnoitteita on tehty jo aiemmin nesteliekkiruiskutuksella, mutta tässä työssä tutkittiin tarkemmin pinnoitteen rakennetta ja selvitettiin mikä on minimimäärä pinnoitetta, jolla pinnan kastumista saadaan muokattua. Pinnan kastuvuus muuttui radikaalisti, vaikka pinta oli vain osittain nanohiukkasten peitossa.

Pinnoitteen pysyvyys ja kulutuskestävyys ovat perinteisesti nanopinnoitteiden suurimpia ongelmia, joten ne ovat tämänkin työn tutkimusaiheita. Pinnoitteen kestävyys riippuu pääosin pinnoitteen adheesiosta ja koheesiosta. Adheesiolla tarkoitetaan pinnoitteen kiinnittymistä materiaalin pintaan ja koheesiolla hiukkasten keskinäistä kiinnipysyvyyttä nanopinnoitteessa. Tässä työssä koheesiota on pyritty parantamaan muokkaamalla nanopinnoitteen hiukkasrakennetta. Aiemmissa töissä superhydrofobinen pinnoite on saatu aikaan TiO<SUB>2</SUB> nanohiukkasilla, mutta tässä työssä TiO<SUB>2</SUB> nanopinnoitteen agglomeraattien kestävyyttä parannettiin lisäämällä pinnoitteeseen myös SiO<SUB>2</SUB> nanohiukkasia. Tällä tavoin pinnoitteen koheesiota saatiin parannettua niin että pinnoitteen huokoisuus ja vettähylkivyys säilyivät lähes ennallaan.

Tässä työssä LFS-menetelmää yhdisteltiin myös muiden pinnoitusmenetelmien kanssa. Yhdistämällä useiden pinnoitusmenetelmien hyviä puolia, saatiin aikaan superamfifobinen pinnoite eli pinnoite hylki myös muita nesteitä kuin vain vettä. LFS-menetelmällä valmistettiin huokoinen nanorakenne, jonka pintaa parannettiin plasmakäsittelyllä tai kemiallisella kaasufaasipinnoituksella (Chemical Vapor Deposition, CVD). Näillä yhdistelmäpinnoituksilla pinta saatiin hylkimään vettä, oliiviöljyä, etyleeniglykolia, diodometaania sekä n-heksadekaania. Yhdistelmäpinnoitteiden pysyvyyttä testattiin pisaratesteillä, joissa pinnoille pudotettiin tuhansia vesipisaroita. Pinnoite pysyi vahingoittumattomana, joten yhdistelmäpinnoitteella voitiin todeta olevan kohtuullisen hyvä adheesio ja koheesio.

Control of wettability of surfaces has been a hot research topic for years. Developing superhydrophobic and superhydrophilic surfaces are originally inspired by nature. Most common way to control the wettability of a surface is to produce functional nanocoatings on different substrates. In this work, aerosol synthesis method Liquid Flame Spray (LFS) was used for fabricating functional nanocoatings on paperboard, wood and glass substrates. Superhydrophobic and superhydrophilic nanocoatings have been previously produced by LFS method, but in this work the structure of the nanocoating was researched more closely to gain better understanding of the stability of the coating. Furthermore, minimum amount of coating for wettability modification was determined. Wettability of a surface was significantly changed even if the surface was only partly covered with nanoparticles.

Stability and wear resistance of functional nanocoatings is generally quite poor, so this was one of the research topics of this work. Stability of a coating depends on the adhesion and cohesion of the coating. Adhesion describes the interaction between a coating and a substrate and cohesion describes particle-to-particle interactions in the coating layer. This work focused on improving the cohesion of the nanocoatings by modifying the material composition of produced nanoparticles. Previously superhydrophobic TiO<SUB>2</SUB> nanocoatings have been fabricated by LFS, but in this work TiO<SUB>2</SUB> nanocoating was doped with SiO<SUB>2</SUB>, to improve the cohesion between agglomerated nanoparticles. Cohesion was successfully improved without losing the desired porosity or wetting properties.

LFS method was also combined with other coating methods. By combining LFS with other coating methods, superamphiphobic behavior was achieved, meaning that nanocoated surface repelled also other liquids than water. Nanoparticle layer formed optimal, porous layer on a surface and nanoparticle layer was afterwards modified by plasma treatment or chemical vapor deposition to obtain needed chemical composition of the coating. By combining different coating methods, excellent repellency for water, olive oil, ethylene glycol (EG), diiodomethane (DIM) and n-Hexadecane was observed. Stability of multicomponent coatings was tested with thousands of water droplets and coating remained unharmed. This indicates relatively good adhesion and cohesion of the multicomponent coatings.