A study on the functionalisation of transparent anti-icing surface: A new approach
Keywords:
, 25]… với mục đích là tạo độ nhám càng nhỏ càng tốt. Các bề mặt sau khi được tạo độ nhám thích hợp sẽ được bao phủ bởi một lớp hợp chất hóa học kỵ nước. Một điều rất quan trọng cần được chú ý đó là bề mặt không dính ướt chỉ có thể đạt được nếu thỏa mãn cả 2 điều kiện: độ nhám và hợp chất hóa học kỵ nước. Nếu chỉ có riêng 1 trong 2 điều kiện thì sẽ chỉ có thể có bề mặt hoàn toàn dính ướt hoặc dính ướt. Nguyên nhân được giải thích bởi hình thái của giọt nước trên bề mặt, mà nguyên nhân sâu xa chính là sự kết hợp của vi cấu trúc và hợp chất hóa học kỵ nước để tạo nên sức căng bề mặt nước - không khí đến mức lực Laplace sẽ không còn chiếm ưu thế. Hình thái khi đó sẽ là Cassie-Baxter (thể tích nước nằm trên đỉnh các cấu trúc micro, nano), thay vì Wenzel (thể tích nước bao trùm tất cả cấu trúc) (hình 1). Hình 1. Trạng thái Cassie-Baxter và Wenzel. Trong nghiên cứu này, chúng tôi trình bày một cách tiếp cận mới để chế tạo bề mặt chống đóng băng trên các bề mặt trong suốt thông qua phương pháp ăn mòn khô trên vật liệu thủy tinh. Phương pháp này đã được sử dụng nhiều trong chế tạo hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) trên các vật liệu thông dụng như silicone, thủy tinh. Tuy nhiên, việc sử dụng phương pháp ăn mòn khô cho các ứng dụng chống băng tuyết kết hợp với nâng cao hiệu năng quang học trên các bề mặt trong suốt chưa từng được đề cập đến. Các ứng dụng như kính chắn gió, gương chiếu hậu, hay những bề mặt làm việc trong điều kiện lạnh giá sẽ là những ứng dụng mà nghiên cứu này hướng tới. Hai thông số sẽ được kiểm nghiệm đó là: lực liên kết giữa băng và bề mặt; thời gian hóa rắn trên các mẫu với độ dính ướt khác Hình 1. Trạng thái Cassie-Baxter và Wenzel. Trong nghiên cứu này, chúng tôi trình bày một cách tiếp cận mới để chế tạo bề mặt chống đóng băng trên các bề mặt trong suốt thông qua phương pháp ăn mòn khô trên vật liệu thủy tinh. Phương pháp này đã được sử dụng nhiều trong chế tạo hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) trên các vật liệu thông dụng như silicone, thủy tinh. Tuy nhiên, việc sử dụng phương pháp ăn mòn khô cho các ứng dụng chống băng tuyết kết hợp với nâng cao hiệu năng quang học trên các bề mặt trong suốt chưa từng được đề cập đến. Các ứng dụng như kính chắn gió, gương chiếu hậu, hay những bề mặt làm việc trong điều kiện lạnh giá sẽ là những ứng dụng mà nghiên cứu này hướng tới. Hai thông số sẽ được kiểm nghiệm đó là: lực liên kết giữa băng và bề mặt; thời gian hóa rắn trên các mẫu với độ dính ướt khác nhau: mẫu thô (không xử lý), mẫu hoàn toàn dính ướt, dính ướt, không dính ướt và hoàn toàn không dính ướt. Sau khi khảo sát bề mặt không dính ướt cho thấy, sự vượt trội về các thông số so với các mẫu còn lại, khẳng định sự ưu việt của hiện tượng không dính ướt và vai trò quan trọng của việc xử lý bề mặt. Ngoài ra, các cấu trúc mô phỏng mắt bướm đêm cho thấy sự gia tăng đáng kể hiệu năng quang học trên các bề mặt trong suốt, hứa hẹn một phương pháp chế tạo bề mặt kết hợp nhiều chức năng nhanh chóng và có tính ứng dụng cao. Thực nghiệm Hóa chất Hóa chất được sử dụng trong quá trình chế tạo gồm có acetone, iso-propanol, ethanol tinh khiết (Merck KGaA, Đức) dùng để xúc rửa mẫu và loại bỏ hết tạp chất trên bề mặt. Hợp chất hóa học kỵ nước được sử dụng để thay đổi độ dính ướt của bề mặt là FOTS - Fluoroorthotriclorosilane) (Merck KGaA, Đức) là một một hợp chất có mạch cacbon dài với một đầu mạch là nguyên tử cacbon liên kết chặt chẽ với nguyên tử thủy tinh, đầu mạch còn lại là phân tử SCl3 không ưa nước. Quy trình chế tạo Các mẫu được chế tạo bằng phương pháp ăn mòn khô kết hợp với sơn phủ hợp chất hóa học kỵ nước FOTS [25]. Hình 2A mô tả quá trình chế tạo bề mặt superhydrophobic trên đế thủy tinh. Đầu tiên, các đế thủy tinh (kích thước 3x3 cm) được rửa sạch lần lượt trong acetone, Iso-propanol, ethanol (mỗi quá trình 10 phút x 3 lần) để loại bỏ hết các tạp chất và bụi bẩn trên bề mặt. Sau đó, các đế được rửa lại bằng nước sạch (10 phút x 3 lần) trước khi làm khô bằng khí nitơ. Quá trình ăn mòn khô được bắt đầu bằng cách nhúng các đế thủy tinh vào trong hỗn hợp dung dịch huyền phù của hạt polystyrene (PS), nước tinh khiết và ethanol. Dung dịch được pha trộn theo tỷ lệ nước:ethanol:PS tương ứng với 1:0,2:0,05 (theo khối lượng) để đảm bảo sự phân tán đều đặn và đơn lẻ của các hạt trong dung dịch. Đây là tỷ lệ được chúng tôi lựa chọn sau khi khảo sát với các tỷ lệ pha trộn khác nhau, đảm bảo sự hình thành của đơn lớp hạt PS. Sử dụng nồng độ lớn hơn của hạt PS sẽ dẫn đến việc tích tụ quá mức của chúng trên bề mặt thủy tinh (nhiều hơn 2 lớp), trong khi nếu sử dụng nồng độ nhỏ hơn sẽ không đảm bảo được sự tập hợp liên tục của hạt trên bề mặt. Các đế thủy tinh được đặt theo chiều gần như thẳng đứng trong dung dịch huyền phù. Quá trình bay hơi chậm được gia A study on the functionalisation of transparent anti-icing surface: A new approach Thanh Binh Nguyen* Thai Nguyen University of Education Received 24 January 2022; accepted 23 February 2022 Abstract: In this study, the author presented a novel approach to manufacture a transparent anti-icing surface through Deep reactive ion etching (DRIE) method on the glass substrate. Tested anti-icing parameters include: adhesive strength and freezing time on samples with different wettability, including as-received (untreated), superhydrophilic, hydrophilic, non-hydrophobic, and superhydrophobic. The results demonstrated the outstanding performance given by the superhydrophobic surface compared to the other samples, confirming the superiority of the non-wetting phenomenon and the important role of the surface treatment. In addition, by introducing a uniformed truncated structure that mimics the moth’s eye structure, the fabricated surface illustrated a significantly higher transmittance in the visible region compared to the as-received sample. This new study proposes a fast and highly applicable fabrication method for functional surfaces operating in harsh environments and outdoor optical applications. Keywords: anti-icing, functional surfaces, transparent.
Abstract
In this study, the author presented a novel approach to manufacture a transparent anti-icing surface through Deep reactive ion etching (DRIE) method on the glass substrate. Tested anti-icing parameters include: adhesive strength and freezing time on samples with different wettability, including as-received (untreated), superhydrophilic, hydrophilic, non-hydrophobic, and superhydrophobic...
điểm /
đánh giá
Published
2023-01-26
Section
KHOA HỌC KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ