Fabrication and characterization of superhydrophobic and slippery liquid infused porous surfaces (SLIPS) for corrosion protection of stainless steel

Herstellung und Charakterisierung von superhydrophoben sowie glatten und flüssigkeitsinfundierten porösen Oberflächen (SLIPS) für den Korrosionsschutz von rostfreiem Stahl

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-199179
  • In recent decades water repellent surfaces have appeared with many positive characteristics which are particularly promising in the field of corrosion protection. SH surfaces present minimum contact between wetting liquids and the solid surface due to an air plastron formed between the solid surface and the liquid. This air layer separates them, acting as a barrier shielding them from the attack of harmful environments. SLIPS have appeared more recently with the ability to protect the metallic substrate in cases where the metastable nature of the Cassie-Baxter state would lead to failure, such as long time immersion, high pressure, high temperature, liquid condensation and atmosphericIn recent decades water repellent surfaces have appeared with many positive characteristics which are particularly promising in the field of corrosion protection. SH surfaces present minimum contact between wetting liquids and the solid surface due to an air plastron formed between the solid surface and the liquid. This air layer separates them, acting as a barrier shielding them from the attack of harmful environments. SLIPS have appeared more recently with the ability to protect the metallic substrate in cases where the metastable nature of the Cassie-Baxter state would lead to failure, such as long time immersion, high pressure, high temperature, liquid condensation and atmospheric corrosion. This is possible thanks to the liquid nature of the coating, which is entrapped on the surface and is much more stable than the compressible air layer. The first part of this study presents the fundamental theoretical underpinnings, as well as the state of the art in the area of SH and SLIPS. As austenitic stainless steel was chosen as the substrate material for all the coatings described in this work, the chapter also contains an introduction to the different compositions, nomenclature and the main corrosion mechanisms that affect this material. Basic electrochemical concepts, both for the fabrication of coatings and for corrosion behavior characterization are presented. Finally, this work closes with a discussion about the results obtained with the different surface treatments. The fabrication process and characterization details of the coatings presented in this work are included in Appendix A to D, following the same format as the original publications. In the first study a SH surface was developed by means of composite electrodeposition of MoS2 particles in a copper matrix. Different electrodeposition parameters were tested to obtain the highest contact angle and lowest contact angle hysteresis. The wettability and corrosion behavior of the coating were tested in different electrolytes. The stability of the SH coating was assessed by immersing of the coated sample in water for a long period. The results obtained after the development of the composite SH surface guided the research towards creating a coating that used an oxide similar to the passive stainless steel oxide layer. For this, a methodology to grow a self-ordered porous oxide layer on a stainless steel substrate by means of anodization was carried out. A design of experiments approach was used to assess the different morphologies that would be obtained applying a wide range of anodization parameters. The morphology of the oxide layer obtained, composition and the corrosion behavior were tested in different electrolytes. Subsequently, the self-ordered porous oxide layer was decorated with perfluorinated phosphate molecules (FS-100) to obtain a SH coating which was subsequently infused with a perfluorinated oil (Krytox) to fabricate a SLIPS. Wettability and corrosion behavior in different electrolytes of the SH and the SLIPS surfaces were analyzed and compared. Finally, a one-step method to fabricate a SLIPS coating using two different substrates, polished and anodized stainless steel was developed. Surgical scalpels made of carbon steel and martensitic stainless steel were also coated and tested. In this work a covalently-bonded PDMS brush infused with a liquid PDMS layer was fabricated by illuminating a substrate covered by PDMS with UV light. If the remnants of PDMS oil were removed, then a grafted sample covered by a PDMS brush was obtained. Wettability and the corrosion behavior of grafted and infused samples made with the different substrates were analyzed. Other materials (metals and oxides) were coated to prove the wide-range applicability of this method. In this paper wettability was not only analyzed by means of static and dynamic contact angles, but the adhesion of blood and bacteria were also tested.show moreshow less
  • In den letzten Jahrzehnten wurden verschiedene wasserabweisende Oberflächen mit vielen positiven Eigenschaften entwickelt, die besonders im Bereich des Korrosionsschutzes vielversprechend sind. Bei superhydrophoben (SH) Oberflächen entsteht lediglich ein minimaler Kontakt zwischen benetzender Flüssigkeit und fester Oberfläche, da sich dazwischen eine Luftschicht ausbildet. Diese Luftschicht trennt die Oberfläche und die Flüssigkeit voneinander und wirkt wie eine Barriere, die sie vor einem Angriff schädlicher Milieus schützt. Die seit Kurzem verfügbaren, glatten, flüssigkeitsinfundierten, porösen Oberflächen (slippery liquid-infused porous surfaces, SLIPS) können das metallische Substrat inIn den letzten Jahrzehnten wurden verschiedene wasserabweisende Oberflächen mit vielen positiven Eigenschaften entwickelt, die besonders im Bereich des Korrosionsschutzes vielversprechend sind. Bei superhydrophoben (SH) Oberflächen entsteht lediglich ein minimaler Kontakt zwischen benetzender Flüssigkeit und fester Oberfläche, da sich dazwischen eine Luftschicht ausbildet. Diese Luftschicht trennt die Oberfläche und die Flüssigkeit voneinander und wirkt wie eine Barriere, die sie vor einem Angriff schädlicher Milieus schützt. Die seit Kurzem verfügbaren, glatten, flüssigkeitsinfundierten, porösen Oberflächen (slippery liquid-infused porous surfaces, SLIPS) können das metallische Substrat in den Fällen schützen, in denen die metastabile Natur des Cassie-Baxter-Zustands zu Schäden führen würde, wie z. B. langes Eintauchen, hoher Druck, hohe Temperatur, Flüssigkeitskondensation und atmosphärische Korrosion. Dies ist möglich aufgrund der flüssigen Beschaffenheit der Beschichtung, die auf der Oberfläche fest anhaftet und deutlich stabiler ist als eine komprimierbare Luftschicht. Im ersten Teil dieser Arbeit werden die grundlegenden theoretischen Zusammenhänge sowie der Stand der Technik auf dem Gebiet von SH und SLIPS vorgestellt. Da austenitischer nicht rostender Stahl als Trägermaterial für alle in dieser Arbeit beschriebenen Beschichtungen gewählt wurde, enthält dieses Kapitel auch eine Einführung in die verschiedenen Zusammensetzungen, die Nomenklatur und die wichtigsten Korrosionsmechanismen, die diesen Werkstoff betreffen. Es werden grundlegende elektrochemische Konzepte, sowohl für die Herstellung von Beschichtungen als auch für die Charakterisierung des Korrosionsverhaltens vorgestellt. Die Arbeit schließt mit einer Diskussion der mit den verschiedenen Oberflächenbehandlungen erzielten Ergebnisse. Der Herstellungsprozess und die Charakterisierung der Beschichtungen, die im Zuge dieser Arbeit vorgestellt werden, können im Anhang (A bis D) entsprechend der Originalpublikationen eingesehen werden. In der ersten Studie wurde eine SH-Oberflächenbeschichtung entwickelt, die auf der elektrolytischen Abscheidung eines Verbundwerkstoffes, -Partikel umgeben von einer Kupfermatrix, fußt. Es wurden verschiedene Parameter für die elektrolytische Abscheidung getestet, um den höchsten Kontaktwinkel und die geringste Kontaktwinkelhysterese zu erreichen. Die Benetzbarkeit und das Korrosionsverhalten der Beschichtung wurden mit verschiedenen Elektrolyten getestet. Die Bewertung der Stabilität der SH-Beschichtung erfolgte durch Eintauchen der beschichteten Probe in Wasser über einen längeren Zeitraum. Die Ergebnisse, die nach der Entwicklung der SH-Verbundoberfläche erzielt wurden, leiteten die weiteren Forschungsarbeiten in Richtung einer Beschichtung, die ein Oxid verwendet, das der passiven Oxidschicht aus nicht rostendem Stahl ähnelt. Zu diesem Zweck wird eine Methode zum Aufwachsen einer selbstorganisierten porösen Oxidschicht auf einem Substrat aus nicht rostendem Stahl durch Anodisieren vorgestellt. Mittels statistischer Versuchsplanung wurden die verschiedenen Morphologien bewertet, die sich bei Anwendung einer breiten Palette von Anodisierungsparametern ergeben würden. Die Morphologie der erhaltenen Oxidschicht, die Zusammensetzung und das Korrosionsverhalten wurden mit verschiedenen Elektrolyten getestet. Anschließend wurde die selbstorganisierte poröse Oxidschicht mit perfluorierten Phosphatmolekülen (FS-100) versehen, um eine SH-Beschichtung zu erhalten, die danach mit einem perfluorierten Öl (Krytox) infundiert wurde, um eine SLIPS herzustellen. Die Benetzbarkeit und das Korrosionsverhalten der SH- und SLIPS-Oberflächen mit verschiedenen Elektrolyten wurden analysiert und verglichen. Schließlich wurde ein einstufiges Verfahren zur Herstellung einer SLIPS Beschichtung unter Verwendung von zwei verschiedenen Substraten, poliertem und anodisiertem nicht rostendem Stahl, entwickelt. Chirurgische Skalpelle aus Kohlenstoffstahl und martensitischem nicht rostendem Stahl wurden ebenfalls beschichtet und getestet. In dieser Arbeit wurde eine kovalent gebundene Polydimethylsiloxan (PDMS)-Bürste, die mit einer flüssigen PDMS-Schicht infundiert war, hergestellt, indem ein mit PDMS bedecktes Substrat mit UV-Licht beleuchtet wurde. Wenn die Reste des PDMS-Öls entfernt wurden, erhielt man eine gepfropfte Probe, die von einer PDMS-Bürste bedeckt war. Die Benetzbarkeit und das Korrosionsverhalten von gepfropften und infundierten Proben, die mit den verschiedenen Substraten hergestellt wurden, wurden analysiert. Andere Materialien (Metalle und Oxide) wurden beschichtet, um die breite Anwendbarkeit dieser Methode zu beweisen. In dieser Arbeit wurde nicht nur die Benetzbarkeit mit Hilfe von statischen und dynamischen Kontaktwinkeln analysiert, sondern auch die Adhäsion von Blut und Bakterien getestet.show moreshow less

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Metadaten
Author:Lucia Helena Prado
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-199179
Referee:Nicolas Vogel
Advisor:Sannakaisa Virtanen
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of publication:2022
Date of online publication (Embargo Date):2022/07/29
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2022/07/05
Release Date:2022/08/08
Tag:Corrosion; SLIPS; Stainless steel; Superhydrophobic
Institutes:Technische Fakultät
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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