Hydrophobe Beschichtungen erklärt

Hydrophobe Beschichtungen

Hydrophobie bezeichnet die Eigenschaft, „Wasser abzuweisen oder sich nicht mit Wasser zu vermischen“. Beschichtungen, die eine hydrophobe oder superhydrophobe Oberfläche erzeugen, bieten mehrere Vorteile für die beschichtete Oberfläche und das darunterliegende Material. Zu diesen Vorteilen gehören eine geringere Schmutzansammlung, selbstreinigende Eigenschaften, eine verbesserte Beständigkeit gegen Feuchtigkeit und Korrosion sowie eine längere Haltbarkeit sowohl der Beschichtung als auch des Substrats. Um Hydrophobie zu verstehen und zu messen, muss die Beziehung zwischen Kontaktwinkel und der hydrophoben oder hydrophilen Natur einer Oberfläche untersucht werden.

Die Oberflächeneigenschaften eines Materials können zu verschiedenen Beschichtungsarten führen, von hydrophilen (wasseranziehenden) bis zu superhydrophoben (stark wasserabweisenden) Beschichtungen. Der Kontaktwinkel eines Wassertropfens auf der Oberfläche einer Beschichtung wird von mehreren Faktoren beeinflusst, darunter den Oberflächenprofilen im Makro-, Mikro- und Nanomaßstab sowie der Oberflächenspannung des Beschichtungsmaterials. Oberflächenspannung bezeichnet die elastische Eigenschaft von Flüssigkeiten, die dazu führt, dass sie ihre Oberfläche minimieren.

Kontaktwinkel für eine hydrophobe Beschichtungsoberfläche und eine hydrophile Beschichtungsoberfläche

Wie in Tabelle 1 gezeigt, hat Wasser im Vergleich zu vielen in der Lackindustrie verwendeten Lösungsmitteln eine höhere Oberflächenspannung. Dies ist hauptsächlich auf die starken Wasserstoffbrücken zwischen den Wassermolekülen zurückzuführen. Darüber hinaus spielt die mikroskopische Oberflächengeometrie eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der hydrophoben Eigenschaften einer Beschichtung.

Die Natur bietet zahlreiche Beispiele für hydrophobe und superhydrophobe Oberflächen, eines der bemerkenswertesten ist das Lotusblatt. Wasser auf einem Lotusblatt weist einen Kontaktwinkel von über 150° auf, ein wichtiger Indikator für seine extrem wasserabweisenden Eigenschaften. Die Selbstreinigungsfähigkeit des Lotusblattes beruht auf seiner hydrophoben, doppelschichtigen Oberflächenstruktur. Dieses einzigartige Design minimiert die Kontaktfläche und die Adhäsionskräfte zwischen den Wassertropfen und der Blattoberfläche, sodass die Tropfen leicht abperlen und dabei Staub und Schmutz einfangen. Die mikrometergroße Doppelstruktur des Blattes besteht aus nadelartigen Vorsprüngen, die mit einer wachsartigen Schicht überzogen sind, was seine wasserabweisenden und selbstreinigenden Eigenschaften verbessert.

Hydrophobe Beschichtungen erklärt

Die wachsbedeckten Vorsprünge auf Oberflächen wie dem Lotusblatt sind etwa 10 bis 20 µm hoch und 10 bis 15 µm breit. Diese Wachse, die die obere Schicht der Doppelstruktur des Blattes bilden, sind von Natur aus hydrophob. Einige Pflanzen weisen Kontaktwinkel von bis zu 160° auf und gelten daher als superhydrophob. In solchen Fällen kommen nur 2–3 % der Oberfläche eines Wassertropfens mit der Pflanzenoberfläche in Kontakt. Wenn die Kontaktfläche auf weniger als 0.6 % reduziert wird, ist der Selbstreinigungseffekt besonders ausgeprägt.

Bisher haben wir die Faktoren untersucht, die die Hydrophobie beeinflussen, darunter Kontaktwinkel, Oberflächenstruktur und das Benetzungsverhalten organischer Lösungsmittel im Vergleich zu Wasser, das durch ihre geringere Oberflächenspannung bedingt ist. Der nächste Schritt konzentriert sich auf Strategien zur Verbesserung der Hydrophobie von Beschichtungssystemen, insbesondere aus der Perspektive der Oberflächentechnik.

Um die Hydrophobie einer Beschichtung zu optimieren, ist es wichtig, die Oberflächenenergie des Beschichtungsmaterials zu minimieren. Eine geringere Oberflächenenergie in Kombination mit einer gut strukturierten Oberfläche verbessert die hydrophobe Leistung erheblich. Die Oberflächenenergie wird in denselben Einheiten wie die Oberflächenspannung gemessen (Kraft pro Längeneinheit, z. B. Dyn/cm). Flüssigkeiten mit hoher Oberflächenspannung, wie z. B. Wasser, weisen auf Beschichtungen mit geringer Oberflächenenergie eine schlechte Benetzung (hoher Kontaktwinkel) auf, was zu maximaler Hydrophobie führt. Wie in Tabelle II gezeigt, variiert die Oberflächenenergie von Materialien erheblich je nach ihrer Zusammensetzung und Wechselwirkung mit Wasser.

Beispielsweise erzeugt eine Beschichtung aus Polyhexafluorpropylen mit einer Oberflächenenergie von 12.0 Dyn/cm eine hydrophobere Oberfläche als eine Beschichtung aus Polymethylmethacrylat mit einer Oberflächenenergie von 40.2 Dyn/cm. Um die Hydrophobie zu maximieren, sollten die hydrophobsten Funktionsgruppen des Materials an der Oberfläche ausgerichtet sein.

Wenn beispielsweise ein organofunktionelles Trimethoxysilan zur Oberflächenmodifizierung verwendet wird, sollten seine Methoxysilangruppen so konstruiert werden, dass sie die Oberflächenschicht besetzen. Ebenso sorgen Perfluor- und aliphatische Gruppen an der Beschichtungsoberfläche für eine deutlich höhere Hydrophobie als Ester- oder Alkoholgruppen. Die Hierarchie der Oberflächenspannung, von der niedrigsten bis zur höchsten, unterstreicht die Bedeutung einer sorgfältigen Materialauswahl und Oberflächentechnik zur Erzielung einer überlegenen hydrophoben Leistung.

Durch die Erhöhung der Hydrophobie in einer richtig entwickelten Beschichtung können auch zusätzliche Eigenschaften wie eine verbesserte Korrosions- und Feuchtigkeitsbeständigkeit erreicht werden.

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