Auswirkungen der Verarbeitung auf die Eigenschaften von superhydrophoben Hybrid-Sol-Gel-Beschichtungen

Hybride superhydrophobe Sol-Gel-Beschichtungen wurden synthetisiert und auf Glassubstrate aufgetragen. Durch die Verwendung hydrophober organofunktionalisierter Silane wurde eine niedrige Oberflächenenergie erzielt, und die Rauheit wurde durch alkylmodifizierte Silika-Nanopartikel (NPs) gebildet. Es ist jedoch bekannt, dass diese superhydrophoben Beschichtungen (SHCs) eine mangelnde Adhäsion der NPs an den Grenzflächen und eine begrenzte Adhäsion an den darunter liegenden Substraten aufweisen, was durch ihre einfache Entfernung in rauen Umgebungen belegt wird.

Für die Studie wurden hybride hydrophobe Sol-Gel- und hydrophobe Silika-NPs auf der Basis von SHCs mit dem Ziel hergestellt, eine verbesserte Grenzflächenhaftung sowohl zwischen den Silika-NPs und der Sol-Gel-Matrix als auch zwischen der Sol-Gel-Matrix und den Glassubstraten zu erreichen.

Duale Aushärtung zeigte die höchste Beständigkeit

Folglich wurden drei Aushärtungsprozesse untersucht: Thermische, Strahlungs- und duale Aushärtung. Die duale Aushärtung von SHC zeigte die höchste mechanische und umwelttechnische Beständigkeit. Sie behielt ihre Superhydrophobie (SH) für für 1000 Stunden unter beschleunigten Witterungsbedingungen bei. Die Fehleranalyse zeigte, dass sich an der Grenzfläche zwischen den alkylmodifizierten Silika-NPs und der hybriden hydrophoben Sol-Gel-Matrix aufgrund der Chemie der freien Radikale an der Grenzfläche sowie zwischen der Sol-Gel-Beschichtung und dem Glassubstrat aufgrund der Kondensationschemie eine starke Grenzflächenbindung gebildet hat.

Darüber hinaus zeigte das dualgehärtete Hybrid-Sol-Gel transparente SHCs mit über 90 % optischer Durchlässigkeit, Wasserkontaktwinkel (CA) von 160˚ und einen entsprechenden Gleitwinkel (SA) von ∼0˚. Morphologische und Rauhigkeitsanalysen ergaben eine einheitliche, hierarchische Struktur aus mikro- und nanogroßen Unebenheiten mit gaußscher Spitzendichteverteilung, wie die Lotusblattoberfläche. Nach der ATR-IR-Analyse kombiniert der duale Härtungsprozess die Mechanismen der Kettenpolymerisation von funktionellem Vinylsilan durch Strahlung und die thermische Kondensationspolymerisation von Fluorsilan zu einem Siloxan-Netzwerk. Daher führen nur Ketten- oder nur Kondensationsmechanismen zu einem teilweise vernetzten Netzwerk und einer geringen Grenzflächenhaftung der NPs am Sol-Gel-System.

Die Studie wurde in Progress in Organic Coatings, Volume 140, March 2020 veröffentlicht.

Bildquelle: Pixabay.