Desenvolupament de sistemes superhidrofòbics sobre substrats metàl·lics: estudi de l’estabilitat i la seva aplicació amb criteris de sostenibilitat
- Autores: Josep Oriol Rius Ayra
- Directores de la Tesis: Núria Llorca i Isern (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2019
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Antoni Roca Vallmajor (presid.), Montserrat Español Pons (secret.), Eloi Pineda Soler (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería y Ciencias Aplicadas por la Universidad de Barcelona
- Materias:
- Texto completo no disponible (Saber más ...)
- Resumen
A la natura existeixen diferents animals o plantes com ara els sabaters (Gerris remigis), la flor de lotus (Nelumbo nucifera) o les fulles d’arròs (Oriza sativa) que presenten propietats extraordinàries com ara l’auto-neteja o bé la resistència enfront l’erosió ambiental. Aquestes propietats estan directament relacionades amb l’estructura així com també la composició química. En els darrers anys, la ciència de materials ha reproduït aquestes superfícies naturals per a millorar aquestes peculiars propietats. Aquest fet ha establert un nou escenari per a les superfícies superhidrofòbiques anomenat biomimetisme.
Aquestes superfícies estan constituïdes per dos nivells diferents. El primer és la microestructura mentre que el segon és la nanoestructura final del sistema. La combinació d’aquestes dues característiques porta a generar una estructura jeràrquica que és un factor determinant en les superfícies superhidrofòbiques. De fet, aquestes característiques augmenten la rugositat superficial que combinat amb alguns compostos químics, com ara l’àcid làuric, tendeixen a disminuir la tensió superficial. D’aquesta manera, l’angle de contacte entre la superfície i una gota d’aigua augmenta fins a assolir valors majors a 150°. A més, aquesta innovadora propietat conferida a les superfícies, coneguda també com a supermullabilitat, obre un nou escenari ja que el comportament de mullabilitat canvia d’un estat superhidrofòbic a un de superoleofílic quan el sistema sòlid-aigua-aire es canviat per un de sòlid-aigua-oli.
Cal destacar que la sostenibilitat dels materials i en particular la de les superfícies superhidrofòbiques ha esdevingut una àrea d’especial d’interès en els darrers anys donada una marcada determinació per preparar materials nous i sostenibles. Els compostos fluorats han estat uns dels reactius més comuns per generar superfícies amb propietats d’hidrofobicitat. Cal tenir en compte però que són compostos extremadament perjudicials per al medi ambient així com també per a les persones. En aquest sentit doncs, cal considerar l’ús de materials i reactius més sostenibles per aplicacions exteriors, on sovint s’empren diferents processos químics i físics per minimitzar aquest efecte perjudicial. De la mateixa manera, la substitució d’aquests compostos per d’altres com els àcids grassos, que estan presents a la naturalesa, s’han estat estudiant com una nova ruta donades les seves qualitats innòcues per a l’entorn.
L’objectiu d’aquesta tesi doctoral és la síntesi, caracterització i estudi de la degradació de la superhidrofobicitat emprant, en l’extensa varietat de compostos naturals i àcids grassos disponibles, l’àcid làuric com a principal reactiu per disminuir la tensió superficial en els sistemes metàl·lics.
Les tècniques de caracterització són d’especial interès per a determinar la relació entre la composició, l’estructura i les propietats superficials. A la vegada, aquestes permeten determinar els mecanismes involucrats en la formació del recobriment. Per aquest motiu, tècniques com l’Espectroscòpia Fotoelectrònica (XPS) o l’Espectroscòpia Infraroja per transformada de Fourier (FTIR) permeten identificar la composició química del recobriment superhidrofòbic a nivell de superfície. Així mateix, les tècniques microscòpiques com l’Electrònica de Rastreig amb Emissió de Camp són particularment interessants per estudiar la morfologia de la superfície. De la mateixa manera, també permeten identificar l’estructura jeràrquica i el mecanisme de creixement que en el cas dels recobriments formats, que correspon a una estructura 3D seguint els modes de creixement de Volmer-Weber i Straski-Krastanov.
Aquesta tesi es centra en tres sistemes superhidrofòbics diferents que s’han obtingut emprant rutes alternatives. D’una banda, el mètode per generar el recobriment ha estat l’electrodeposició. I d’altra banda, la molta d’elevada energia combinada amb el dipòsit en fase líquida. Aquests sistemes superhidrofòbics són altament resistents en front agents ambientals com ara l’abrasió o l’exposició a la llum UV.
Considerant les propietats superficials dels sistemes superhidrofòbics obtinguts, s’han proposat diferents aplicacions com a estratègies innovadores per al seu ús a l’exterior com ara la separació d’oli en aigua, la recollida d’aigua de boira i l’eliminació de coure (II) de solucions aquoses.
En primer lloc, s’ha preparat un recobriment superhidrofòbic emprant l’electrodeposició de ZnCl2 i àcid làuric (C11H23COOH) com a reactius sobre un substrat d’alumini UNS A91070. A més, també s’utilitza α-Al2O3 amb un diàmetre de 0,3 µm per millorar la durabilitat del recobriment enfront l’abrasió. El recobriment en base laurat de zinc reforçat amb partícules α-Al2O3 presenta un estat de mullabilitat de Cassie-Baxter i caràcter superhidrofòbic amb un angle de contacte de 170°. A més, el reforç d’alúmina augmenta la durabilitat del sistema i després de diferents assajos, com ara amb paper de desbast o bé amb rotació erosiva, l’angle de contacte segueix sent major a 150°. A la vegada, les propietats de mullabilitat poden canviar d’un estat superhidrofòbic a un de superoleofílic. El recobriment obtingut presenta una excel·lent capacitat de separació d’oli en aigua (on els olis són hexà, èter de petroli o xilè) amb una eficiència major al 98 %.
En segon lloc, emprant l’electrodeposició de MgCl2 i àcid làuric (C11H23COOH) sobre el substrat d’alumini s’ha obtingut un nou recobriment sostenible. De fet, tant els reactius com el recobriment superhidrofòbic no es poden considerar perjudicials per als éssers humans o bé el medi ambient. El recobriment presenta un angle de contacte de 155°. Així mateix, es duu a terme un test de durabilitat en front l’exposició de llum UV i l’angle de contacte no es veu afectat d’una manera significant i pren valors superiors als 150°, tot indicant una elevada resistència a la llum UV. Donada la sostenibilitat del recobriment, aquest es pot emprar per a la recollida d’aigua de boira com a innovadora estratègia en el camp de les superfícies superhidrofòbiques. En un cambra de boira, el recobriment permet recollir aigua amb una eficàcia de 154 mg/cm2 en posició vertical de 90°.
En tercer lloc, s’ha obtingut un sistema supermullable combinant dos mètodes diferents: la molta d’elevada energia seguida del dipòsit en fase líquida d’àcid làuric en solució hidroalcohòlica en la pols de ferro nanoestructurada. La molta d’elevada energia redueix la mida de partícula de la pols de ferro i li confereix una nanoestructura després de 12 h de procés. A més, el dipòsit en fase líquida modifica les propietats superficials de la pols i aquesta es funcionalitza amb el grup laurat fet que li dóna propietats superhidrofòbiques amb un angle de contacte de 154°. A més, el sistema permet separar oli, com ara hexà i èter de petroli, d’aigua. La pols de ferro preparada elimina l’oli d’una emulsió estabilitzada d’hexà en aigua amb una eficiència del 96 %. Donades les propietats ferromagnètiques intrínseques del ferro (bcc) es demostra una excel·lent separació del sistema sòlid-oli quan un camp magnètic extern és aplicat. De la mateixa manera, la pols de ferro permet eliminar coure (II) de dissolucions aquoses sense la presència d’àcids i en diferents concentracions.
En resum, aquesta tesi doctoral posa de manifest tres sistemes superhidrofòbics innovadors que s’apliquen per poder solucionar problemes ambientals globals com és la separació d’oli en aigua o bé la recollida d’aigua de boira. Aquestes propostes obren una finestra d’oportunitat en la purificació d’aigües en el cas dels abocaments o bé la recollida d’aigua en zones que pateixen sequera severa.
