超疎水性および疎油性のマイクロテクスチャードアルミニウム表面は腐食環境下でも耐久性が高い

Scientific Reports volume 13、記事番号: 1737 (2023) この記事を引用

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超疎水性 (SHP) および疎油性アルミニウム表面は、スケーラブルな化学的マイクロテクスチャリング プロセスと長鎖ポリフルオロアルキル部分による表面官能化の組み合わせによって調製されています。 マイクロテクスチャ表面に対する陽極層の効果は、表面形態、超疎水性、表面の機械的特性、および腐食保護の強化を考慮して評価されています。 ポリフルオロアルキル部分による表面官能化は、(i) ポリフルオロアルキル部分のグラフト化と (ii) 低含量のポリフルオロアルキル含有化合物による薄いハイブリッド コーティングの堆積という 2 つの異なる方法で取り組んできました。 塩水噴霧環境において高い耐久性を示し、少なくとも 2016 時間まで SHP および疎油性を維持するアルミニウム表面が達成されました。 この種の表面の用途は、掃除が簡単な表面から、いくつかの分野で興味深いと考えられる凍結防止または結露防止機能まで多岐にわたります。

アルミニウム合金は、優れた高比強度、顕著な導電性、または比較的低い比重などの優れた特性により、建設、自動車、船舶、航空、家電などの幅広い分野で広く使用されています。 近年、自己洗浄 1 や防氷 2,3 などの新しい特性を備え、さらに高い耐食性 4 を示す表面への要望により、超疎水性、つまり 150° を超える水接触角 (WCA) を示す新しい表面処理の研究が進められています。滑り角が 5°5 未満であり、疎油性、つまりヘキサデカンのような低エネルギー液体に対する接触角が 90°を超えています。

表面の超疎水性は、その組成と形態の両方によって決まります。 界面エネルギーの低い滑らかな表面の最大 WCA は、110 ～ 120° に達するのがほとんどありません。 したがって、多くの著者が研究しているように、超疎水性を達成するには、表面が化学的特性と形態学的特性を組み合わせる必要があります5、6。 特定の表面粗さの調整 (マイクロ ナノテクスチャリング) のおかげで、界面エネルギーが低い表面の疎水性をさらに高めることができ (Cassie-Baxter から Wenzel 状態)、超疎水性が実現します。 文献には、機械的処理 7、化学エッチング 8、9、10、電気化学的処理 11、レーザーテクスチャリング 12、または陽極酸化処理 13 など、表面粗さを調整するためのさまざまな方法が報告されています。 しかし、それらの一部を工業レベルで実装することは、比較的高い処理時間とコスト、または非平坦な部品や複雑な形状の処理の難しさのため、困難です。 さらに、適用される方法は、機械的、耐久性、耐食性などの材料特性に影響を与える可能性があります。

複雑な形状の部品の費用対効果と均質な特性が業界で求められていることを考慮すると、大規模製造を可能にするいくつかの化学プロセスが、超疎水性 (SHP) および疎油性アルミニウム部品の製造に潜在的に適していると考えられます。

化学処理されたアルミニウム SHP 表面を扱う出版物の中で、疎油性を研究しているものはほんのわずかです 10。 水（疎水性）と油（疎油性）の両方をはじく両親媒性と呼ばれる表面は、単に疎水性の特性を持つ表面よりも加工が困難です14。 例えば、Choi et al.15 は、3 種類のアルカリベースの化学エッチングプロセスを使用して、異なる形態を持つ SHP および疎油性の階層的アルミニウム表面を取得しました。 Carneiro ら 16 は、化学エッチングとそれに続くゾルゲル法で合成された有機修飾ケイ酸塩コーティングの堆積により、SHP および疎油性アルミニウム表面を実現しました。 Varshney et al.17 は、化学エッチングとラウリン酸による不動態化により、自己洗浄性と防曇性を備えた SHP アルミニウム表面を実現しました。 Ruan ら 18 は、SHP 表面を実現するための製造手順を簡素化する特定の電気化学的陽極酸化および化学エッチング法を通じて、防氷機能を備えたさまざまな SHP アルミニウム表面を取得しました。 Barthwal ら 19 は、単純な化学エッチングと陽極酸化を 1H,1H,2H,2H-パーフルオロオクチルトリクロロシラン (FAS13) グラフトと組み合わせることにより、機械的に安定な超両親媒性アルミニウム、つまり 150°を超える WCA およびヘキサデカン接触角 (HCA) を作製しました。 最近では、Kikuchi et al.20 が、電気化学エッチング (塩酸溶液中) と陽極酸化処理 (ピロリン酸溶液中) の方法を組み合わせて、超疎水性 (水とドデカンの接触角が 150° 以上) のアルミニウム表面を作製し、異なる滑りで高い接触角を実証しました。角度は陽極酸化時間によって異なります。