Desenvolupament de sistemes superhidrofòbics sobre substrats metàl·lics: estudi de l’estabilitat i la seva aplicació amb criteris de sostenibilitat

Abstract

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. 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 mmicroscòpiques com l’Electrònica de Rastreig amb Emissió de Camp són particularment interessants per estudiar la morfologia de la superfície. 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 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.

In nature there are several animals or plants such as pond skaters (Gerris remigis), Lotus flower (Nelumbo nucifera) or rice leaves (Oriza sativa) that possess extraordinary capabilities like self-cleaning properties or resistance against environmental erosion. These properties are directly related to their structure as well as to their chemical composition. For the last years, materials scientists have tried to reproduce these natural surfaces to enhance these particular properties over materials surfaces. These modified surfaces are build up in two different levels. The first one is the microstructure and the second one corresponds to the nano contribution to the final system. The combination of both features leads to a hierarchical structure that is a key parameter for superhydrophobic surfaces. Indeed, these characteristics increase the surface roughness that combined with some chemical compounds such as fatty acids, make the surface energy decrease. In contrast, the contact angle between the surface and the water droplet increases until it reaches values higher than 150°. In addition, this innovative property conferred to the surfaces, also known as superwettabability, opens a new scope as the wetting behaviour switches from a superhydrophobic state to a superoleophilic one when the solid-water-air system is changed to a solid-water-oil one. This thesis is focused on three different superhydrophobic systems that have been obtained following alternative routes. On one hand the method for the coating formation is carried out by electrodeposition. On the other hand, high-energy ball milling is combined with liquid phase deposition. Additionally, the superhydrophobic systems are highly resistant against environmental effects such as abrasion or under UV light exposure. Taking into account the surface properties of the as prepared superhydrophobic systems, different applications are proposed as innovative strategy for their use outdoors such as oil in water separation, water harvesting from fog and copper (II) removal from aqueous solutions. In summary, this PhD thesis puts forward three innovative superhydrophobic systems applied to solve worldwide environmental problems such as oil in water separation and water harvesting from fog. These solutions opens a new scope in water purification in case of oil spill disasters or water collecting in lands that are experiencing water scarcity.