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Strukturierte Kolloidpartikel für ultrahydrophobe, schmutzabweisende Oberflächen

Viel, Benjamin :
Strukturierte Kolloidpartikel für ultrahydrophobe, schmutzabweisende Oberflächen.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Strukturierte Kolloidpartikel für ultrahydrophobe, schmutzabweisende Oberflächen
Language: German
Abstract:

Auf ultrahydrophoben Oberflächen rollen Wassertropfen unter Beibehaltung ihrer Kugelform schon bei der geringsten Neigung hin und her, wobei sie Schmutzpartikel aufsammeln und rückstandsfrei entfernen. Dieser Effekt, dessen wirtschaftlicher Nutzen kaum überschätzt werden kann, ist vom Lotusblatt allgemein bekannt und wird deshalb auch Lotus-Effekt® genannt. Beim Lotusblatt ist die Ultrahydrophobie von einem speziellen hierarchischen Oberflächen¬profil aus mikroskopischen Noppen mit nanoskopischen Wachshärchen zuzuschreiben. Entsprechende Strukturen und Strukturhierarchien konnten schon künstlich nachgestellt werden. Sie waren aber nicht stabil und wurden unter Abrieb zerstört. Profiloberflächen können von Wasser¬tropfen entweder homogen nach Wenzel oder heterogen nach Cassie benetzt werden. Während ein Tropfen auf einer Wenzel-Oberfläche trotz hohem Kontaktwinkel haftet und auf ihr nur abgleitet, rollt er auf einer Cassie-Oberfläche ab, weil er nur die Spitzen des Oberflächenprofils berührt und darunter ein Luftpolster besitzt. In dieser Arbeit wurden auf der Basis von submikroskopischen Kugelpartikeln stabilere Oberflächenstrukturen entwickelt. Erstens wurden submikro¬skopische Silika-Polymer-Hybridpartikel in Emulsionspolymerisation erzeugt, aus denen Filme gepresst wurden, denen dann durch gezielte Polymer-Plasmaätzung das Oberflächenprofil der Silikakerne verliehen wurde. Dieses Verfahren führte zu sehr stabilen Strukturoberflächen. Es konnte durch gezieltes Einstellen der intrinsischen Hydrophobie anhand von statischen und dynamischen Kontaktwinkelmessungen gezeigt werden, dass diese rein sphärisch strukturierten Oberflächen homogen, nach dem Wenzel-Typ, benetzt werden. Zweitens wurden die Silikakerne mit kleineren Silika-Nanopartikeln kovalent beschichtet, wodurch sie eine Mikro-Nano-Doppelstruktur annahmen. Oberflächenschichten die¬ser Partikel wiesen nach Hydrophobierung mit fluorhaltigen und –freien Alkylsilanen die Merkmale des Cassie-Typs auf: Sehr hohe statische Kontaktwinkel, sehr niedrige Hysterese. Tropfen rollten in fast perfekter Kugelform und sprangen beim Aufprall elastisch von den Oberflächen ab. Ihr Abrieb lag um eine Größenordnung unter dem des natürlichen Vorbilds. Selbstreinigende Merkmale konnten ebenfalls mit praxisnahen Tests bewiesen werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
On ultrahydrophobic surfaces water drops maintain their spherical shape and roll quickly off even at slight angles of inclination without leaving any residue. The effect has therefore a high economic potential and is known as Lotus-Effekt ®. On the Lotus leaf the ultrahydrophobicity derives from a textured surface with wax crystalloids. Many artificial ultrahydrophobic structures were made in the past but they were not commercialized due to poor abrasion resistance. The theory distinguishes between homogeneously (so called Wenzel-typ) and heterogeneously (Cassie typ) wetted surfaces. Wenzel-drops remain pinned even at high contact angles. Cassie-drops touch the top only, create an air cushion and roll off. This dissertation deals with stable structures made from sub-microscopic spherical particles. First silica-polymer hybrid particles were synthesized in emulsion polymerization. These particles were pressed to hydrid-films at elevated temperatures. Than the inner spherical structure of the silica beads was brought out by plasma-etching of the polymer. The intrinsic hydrophobicity was controlled and by static and dynamic contact angle measurements it was shown that spherical textures are wetted homogeniously. Second a micro-nano-douplestructure was made by covalent bonding of nano-silica particles onto the micro beads. After treatment with hydrophobic fluoroalkylsilanes these surfaces exhibited Cassie-type ultrahydrophobic properties: a very high contact angle and a low hysteresis. Droplets maintained their spherical shape and rolled off the surface after impact. Also, self-cleaning properties and a good abrasion resistance were demonstrated in practical tests.English
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Divisions: Fachbereich Chemie
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:53
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000960
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-9600
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Rehahn, Prof. Dr. Matthias and Schneider, Prof. Dr. Joerg J.
Advisors: Rehahn, Prof. Dr. Mattias
Refereed: 17 December 2007
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/960
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