Design and preparation of icephobic metal-based surfaces

Abstract

Interest for icephobic materials is growing up in recent years. A wide range of surfaces are proposed as anti-icing. These surfaces hold different properties that mitigate ice formation. However, under extreme conditions, most surfaces fail because ice is formed on them. For this reason, surfaces with de-icing properties are also developed. The main de-icing property is low ice adhesion, for continuous ice release. Design of low-adhesion surfaces with longer service life and minor maintenance costs involves exciting interdisciplinary scientific challenges and their incipient scaling-up to industrial applications is clear. Still there is no single and simple solution for mitigating the adhesion of ice to substrates in real-world applications. In this dissertation, we studied icephobic elastomeric surfaces. Elastic materials are postulated for low adhesion due to their deformability. Further, surface deformability can be combined with ice-repelling properties, or be employed to fabricate oil-infused surfaces with icephobic performance. We analysed the ice detachment mechanisms on PDMS surfaces and compared the results with rigid materials. Wetting affects both ice formation and release so a proper understanding is mandatory. The analysis of wetting phenomena on elastic surfaces should be carefully conducted. Contact line dynamics of sessile drops is altered by surface elasticity. Consequently, the typical methods to evaluate wetting properties of elastic surfaces are call into question. A new protocol to properly measure contact angles hysteresis of PDMS surfaces is proposed. A large number of elastic surfaces with very different values of elastic modulus and wetting properties were prepared. Ice adhesion to these surfaces was studied from two different modes (tensile and shear). The adhesion strength values were related with the surface properties and the role of deformability was examined. We also prepared polymer infused surfaces (resembling slippery liquid-infused porous surfaces). For both types of surfaces (elastic and oil-infused elastic), low iceadhesion was reached for a suitable combination of the material properties. Finally, the mechanical durability of the elastomeric surfaces was evaluated. Two wear tests were performed: standard abrasion test and physical erosion test, that simulate prolonged damage under outdoors conditions. The elastic and oil-infused elastic surfaces revealed great resistance to mechanical wear. Particularly, the oil-infused elastic surfaces maintained its low ice-adhesion property unaltered. In this work, we propose surfaces with durable de-icing properties potentially applicable to real ambients. Moreover, field tests were performed to evaluate the real applicability of the surfaces.

El interés por los materiales antihielo ha aumentado en los últimos años. Una amplia gama de superficies ha sido propuesta como potencial mente antihielo por poseer diferentes propiedades para reducir la formación de hielo. Sin embargo, el hielo se forma sobre la mayoría de las superficies cuando estas son sometidas a ambientes gélidos durante el tiempo suficiente. Por este motivo, además de desarrollar superficies que eviten la formación de hielo, también se desarrollan superficies que se “deshielen” fácilmente. Para ello, se diseñan superficies con baja adhesión al hielo. Sin embargo, el desarrollo de superficies con baja adhesión al hielo, larga durabilidad y los mínimos costes de mantenimiento posibles es una tarea ardua y supone un auténtico reto científico y tecnológico. Además, los resultados de este desarrollo podrían ser de gran interés para su aplicación en la industria. En esta tesis, se estudian las propiedades antihielo de las superficies elásticas. Este tipo de superficies pueden presentar baja adhesión al hielo debido a su deformabilidad. Además, estas superficies pueden incluir otras propiedades antihielo o ser usadas para fabricar superficies imbuidas con lubricantes, que también presentan buenos resultados contra el hielo. Aquí, analizamos el mecanismo de despegue del hielo de superficies de PDMS y comparamos los resultados con los obtenidos para superficies rígidas. La mojabilidad de las superficies afecta tanto a la formación de hielo como a su desprendimiento. Por ellos es necesario entender bien la influencia de la elasticidad de las superficies en la caracterización de las propiedades de mojado. La dinámica de la línea de contacto de una gota situada sobre una superficie elástica es alterada por la deformabilidad del sustrato. Por ello los métodos típicamente usados para caracterizar la mojabilidad deben ser cuidadosamente examinados cuando se emplean superficies elásticas. Aquí proponemos un nuevo protocolo de media para caracterizar la histéresis del ángulo de contacto apropiadamente. En este trabajo, se han preparado superficies elásticas con diferente módulo elástico y mojabilidad. La adhesión del hielo a estas superficies se ha estudiado en dos modos (perpendicular y tangencial). La relación entre las propiedades de las superficies (mojabilidad, elasticidad) y su adhesión al hielo ha sido estudiada. También se han preparado superficies elásticas imbuidas con aceite de silicona. Para ambos tipos de superficies se ha conseguido alcanzar una baja adhesión al hielo al combinar apropiadamente las propiedades elástica e hidrófoba. Finalmente, se ha examinado la durabilidad mecánica de las superficies mediante dos pruebas de desgaste: abrasión y erosión. El objetivo de estas pruebas es simular el desgaste producido en condiciones reales durante un largo periodo de tiempo. Tanto las superficies elásticas como las elásticas imbuidas con lubricante mostraron una gran resistencia al desgaste. En concreto, las superficies imbuidas mantuvieron inalterada su adhesión al hielo. En este trabajo proponemos superficies con baja adhesión al hielo y larga durabilidad potencialmente aplicables en condiciones reales. Para evaluar esta posibilidad, también realizamos pruebas de campo.