Icephobicity of superhydrophobic surfaces

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2023-08-22
Department
Major/Subject
Functional Materials
Mcode
CHEM3025
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
66 + 16
Series
Abstract
Non-icing surfaces are one of the many application areas that superhydrophobic surfaces are studied for. The hierarchical micro- and nanostructure is the reason behind the low wettability of superhydrophobic surfaces. Such surface structure can be either beneficial or detrimental in a freezing environment, as the ice can be mechanically interlocked into the structure. Preserving the water in the Cassie-Baxter state while freezing is therefore essential in order to achieve low ice adhesion. The ice adhesion strength and surface robustness of various superhydrophobic surfaces were tested by cyclical shear ice adhesion pull-off test, where maximum of 20 cycles were used. Both highly icephobic and non-icephobic surfaces were found as well as moderately performing surfaces. The most icephobic surface retained ice adhesion below 10 kPa, which was defined as the lower limit of the measuring setup. These surfaces had dense nanotextures with relatively level microstructure, and a low surface energy coating. A titanium silicide hard coating was shown to protect the nanostructure against ice shearing. The surfaces that retained ice adhesion strength below 20 kPa, which often is used as a limit for highly icephobic surfaces, had only some wear on the nanostructure. The moderately performing had partially deformed nanostructure with intact microstructure, and ice adhesion strength around 50 kPa. The non-icephobic surfaces had relatively open microstructure and the surface structure was highly deformed with ice adhesion strength exceeding 100 kPa.

Jäätymättömät pinnat ovat yksi monista superhydrofobisten pintojen käyttökohteista. Monitasoinen, mikro- ja nanokokoluokan rakenne aikaansaa superhydrofobisten pintojen vedenhylkivyyden. Tällainen rakenne voi tosin olla joko hyödyllinen tai tuhoisa jäätävässä ympäristössä, koska jää voi mekaanisesti kiinnittyä kyseisen rakenteen sisälle. Veden pitäminen Cassie-Baxterin tilassa jäätymisen aikana on siis oleellista, jotta voi saavuttaa heikon jään kiinnittymisen. Tässä työssä tutkittiin monenlaisten superhydrofobisten pintojen jään kiinnittymisen voimakkuutta ja pinnan kestävyyttä, toisteisella jään kiinnittymisen leikkausvoimaa mittaavalla vetokokeella, jossa 20 toistoa oli maksimimäärä. Tällä tavalla löydettiin hyvin jääfobisia ja ei-jääfobisia pintoja, kuin myös kohtalaisesti jääfobisia. Jääfobisin pinta säilytti alle 10 kPa jään kiinnittymislujuuden, joka määritettiin tutkimuslaitteiston alarajaksi. Näiden pintojen nanorakenne oli tiivis ja mikrorakenne melko tasainen. Lisäksi pinnoilla oli pinnoite alhaisella pinta-energialla. Titaanidisilisidinen kova pinnoite suojeli nanorakennetta jään repimiseltä. Alle 20 kPa on usein määritetty jääfobisuuden rajaksi, ja pinnat, jotka säilyttivät jään kiinnittymislujuuden tämän rajan alapuolella, olivat kuluneet nanorakenteeltaan vain hieman. Kohtalaisesti jäätä hylkivät pinnat olivat nanorakenteeltaan osittain kuluneet, mutta mikrorakenne oli säilynyt verrattain ehjänä, ja jään kiinnittymislujuus oli noin 50 kPa. Ei-jääfobiset pinnat koostuivat melko avoimesta mikrorakenteesta, joka vaurioitui suuresti jään repimisestä, ja jään kiinnittymislujuus ylitti 100 kPa rajan.
Description
Supervisor
Franssila, Sami
Thesis advisor
Jokinen, Ville
Mirmohammadi, Mehran
Keywords
icephobicity, superhydrophobicity, ice adhesion, anti-icing
Other note
Citation