Superhydrophobic wax coatings in a durable microstructure

No Thumbnail Available

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Perustieteiden korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024-12-19

Department

Major/Subject

Teknillinen fysiikka

Mcode

SCI3028

Degree programme

Teknistieteellinen kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

41

Series

Abstract

Many plants and animals keep themselves dry and clean using superhydrophobicity. Superhydrophobic surfaces are remarkably water-repellent. This makes them very useful since they possess, for example, self-cleaning, anti-icing and anti-corrosive properties. Thanks to this, superhydrophobic surfaces have many applications but they are often limited by their durability. Superhydrophobic surfaces can be made with different methods and materials, such as fluorinated substances and nanoparticles. Water-proof surfaces can also be made with plastics. However, these materials have been found to have negative impacts on the environment and human health, which has caused many countries and international communities to place restrictions on them or altogether ban them. As the restrictions and the general public's awareness increase, so does the demand for alternatives. One safer alternative to harmful chemicals are waxes, such as carnauba wax which is hydrophobic, biodegradable and safe. However, wax coatings are limited by their durability since they are ofter weaker than more harmful chemicals, and they lose their hydrophobicity in mechanical abrasion fast. The durability of a superhydrophobic coating can be improved by altering the surface texture of the base material. The microstructure used in this thesis has been studied with hard materials, but not soft materials, such as plastics or cardboard. In this thesis, the durability of wax-based coatings and the effect of the microstructure was studied. The used base materials were polypropylene and cardboard, and two versions of them were made: one smooth and one with the microstructure. Both versions were coated with the same coatings and their durabilities were compared. The materials used in the coatings were carnauba wax, amorphous silica nanoparticles and ethanol. In addition, the effect of nanoparticle concentration, annealing temperature and coating thickness were studied. The durability measurements were done by abrading the coated surfaces with different number of cycles, and the water sliding angles were measured from the abraded areas. The wax-based coating were compared with an on-the-market superhydrophobic coating. The microstructure had an effect on the durability of the coatings: it improved the durability in polypropylene but decreased the durability in cardboard. This is caused by the significant differences of polypropylene and cardboard as materials. The microstructure can enable the use of wax in superhydrophobic coatings but it does not improve the durability in all materials. Of the other variables, only the thickness of the coating had a significant effect. However, the wax-based coatings were significantly weaker than the on-the-market coatings, regardless of the base material. Because of this, the durability of the coatings themselves has to be improved, for example, by using different waxes, additional materials or solvents.

Monet kasvit ja eläimet pitävät itsensä kuivina ja puhtaina käyttämällä superhydrofobisia pintoja. Superhydrofobiset pinnat hylkivät vettä erittäin vahvasti. Tämän takia niillä on monia hyödyllisiä ominaisuuksia: ne estävät esimerkiksi likaa, jäätä ja korroosiota. Näiden ominaisuuksien ansiosta superhydrofobisilla pinnoilla on paljon mahdollisia käyttökohteita, mutta usein niiden käyttöä rajoittaa huono kestävyys. Superhydrofobisia pintoja voidaan tehdä eri tavoilla ja materiaaleilla, kuten fluoripitoisilla aineilla ja nanopartikkeleilla. Lisäksi vedenkestäviä pintoja tehdään muoveilla. Kuitenkin kaikilla näillä materiaaleilla on haitallisia vaikutuksia ympäristöön ja ihmisten terveyteen, minkä takia useat maat sekä kansainväliset yhteisöt ovat asettaneet näille materiaaleille rajoituksia tai kieltäneet niiden käytön kokonaan. Rajoitusten ja yleisen tietouden kasvaessa myös kysyntä vaihtoehdoille kasvaa. Vaihtoehtona haitallisille materiaaleille ovat nousseet vahat, kuten karnaubavaha, joka on hydrofobinen, biohajoava ja terveydelle turvallinen. Kuitenkin ongelmana vahoissa on, että vahapinnoitteet ovat usein heikompia kuin monet haitallisemmat pinnoitteet, ja ne menettävät superhydrofobisuutensa mekaanisessa kulutuksessa nopeasti, mikä rajoittaa vahapinnoitteiden käyttöä monissa käyttökohteissa. Superhydrofobisen pinnoitteen kestävyyttä voi parantaa muokkaamalla pohjamateriaalin pinnan rakennetta. Tässä työssä käytettävää pinnan mikrorakennetta on tutkittu kovilla materiaaleilla, mutta ei pehmeillä materiaaleilla, kuten muoveilla ja kartongilla. Tässä työssä tutkittiin mikrorakenteen vaikutusta superhydrofobisen vahapohjaisen pinnoitteen kestävyyteen. Pohjamateriaaleina käytettiin polypropeenia ja kartonkia, joista tehtiin kaksi eri versiota: alkuperäinen, tasainen pinta ja pinta, johon painetiin mikrorakenne. Molemmat pinnat pinnoitettiin, ja pinnoitteiden kestävyyttä verrattiin. Pinnoitteessa käytettiin karnaubavahaa, amorfisia piidioksidinanopartikkeleja ja etanolia. Lisäksi tutkittiin nanopartikkelien määrän, lämmityksen lämpötilan ja pinnoitteen paksuuden vaikutusta kestävyyteen. Pintojen kestävyyttä tutkittiin hankaamalla pintaa hangattiin eri määrä syklejä, ja hangatusta pinnasta mitattiin veden liukumiskulma. Vahapohjaisia pinnoitteita verrattiin kaupalliseen superhydrofobiseen pinnoitteeseen. Mikrorakenne vaikutti pinnoitteiden kestävyyteen: mikrorakenne paransi kestävyyttä polypropeenissa, mutta heikensi sitä kartongissa. Tämä johtuu polypropeenin ja kartongin merkittävistä eroista materiaaleina. Mikrorakenne voi siis mahdollistaa vahojen käytön superhydrofobisissa pinnoitteissa, mutta se ei paranna kestävyyttä kaikissa materiaaleissa. Muista muuttujista ainoastaan pinnoitteen paksuus vaikutti merkittävästi kestävyyteen. Vahapohjaiset pinnoitteet olivat kuitenkin selkeästi heikompia kuin kaupallinen pinnoite riippumatta pohjamateriaalista. Tämän takia myös itse pinnoitteen kestävyyttä täytyy kehittää esimerkiksi käyttämällä muita vahoja, materiaaleja tai liuottimia.

Description

Supervisor

Ras, Robin

Thesis advisor

Tiainen, Laura

Keywords

superhydrophobicity, wax, PFAS, nanoparticles

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202412248120

Collections

[kand] Perustieteiden korkeakoulu / SCI