Métodos para preparar superficies superhidrofóbicas sobre cuerpos sólidos mediante soluciones de expansión rápida.

Método para preparar una superficie superhidrofóbica sobre un sustrato sólido que comprende los pasos de:

(a) proporcionar un solvente en forma de un fluido presurizado en un recipiente, en donde el fluido muestra un descenso en el poder de solvencia al disminuir la presión;

(b) añadir una sustancia hidrofóbica al solvente como un soluto, sustancia que es soluble en el fluido presurizado y tiene la capacidad de cristalizar después de la expansión del fluido, obteniéndose con ello una solución del solvente y el soluto en el recipiente;

(c) tener al menos un orificio abierto en el recipiente, produciendo con ello que la solución presurizada fluya fuera del recipiente y se evapore en el aire ambiente o en una cámara de expansión que tiene una presión menor que dentro del recipiente, formando el soluto de esta manera partículas;

(d) depositar las partículas sobre el sustrato para obtener una superficie superhidrofóbica.

Métodos para preparar superficies superhidrofóbicas sobre cuerpos sólidos mediante soluciones de expansión rápida.

Campo técnico La presente invención se refiere al campo de las superficies superhidrofóbicas y proporciona un método para producir tales superficies en una amplia gama de materiales.

Antecedentes técnicos En ciertos procesos tecnológicos y procedimientos de fabricación, así como en muchas situaciones cotidianas, es de importancia crucial utilizar objetos con superficies fuertemente repelentes de agua que sean lo suficientemente estables para retener la propiedad repelente de agua incluso tras la exposición al agua. Varias superficies de sustratos que son lisas y planares a nivel molecular, como las superficies de mica y vidrio, se pueden hacer hidrofóbicas por medio de métodos bien establecidos, tales como sedimentación de una monocapa de moléculas de lípidos o fluorocarbonos con grupos terminales polares o, por medio de alguna reacción química específica como el tratamiento con alquiltiol de un fina capa de oro que en un paso anterior se ha depositado en la superficie del sustrato. De esta manera, el ángulo de contacto para una gota de agua que reside en una superficie de sustrato lisa se puede aumentar a un máximo de aproximadamente 100-120 grados.

Sin embargo, anteriormente se encontró que se pueden producir valores de ángulos de contacto incluso mayores, de hecho aproximándose al máximo teórico de 180 grados, empleando superficies de sustrato que están estructuradas geométricamente en una escala de longitud coloidal, es decir, aproximadamente 10-8-10-5 m. En otras palabras, en este contexto es ventajoso si la superficie hidrofóbica resultante posee una desigualdad que magnifica la superficie de contacto ente el agua y la superficie hidrofóbica a un nivel significativo. Evidentemente, esto significa que la superficie de contacto real con el agua es mucho mayor que la superficie macroscópica proyectada, lo que implica que se vuelve termodinámicamente desfavorable con el mojado completo (homogéneo) a pesar del hecho de la interfaz entre el agua y el hidrocarburo por sí se caracteriza por una energía de superficie libre relativamente baja, aproximadamente 50 mJ por metro cuadrado. Como consecuencia, existe un número de delgados bolsillos de aire entre la fase de agua y la superficie hidrofóbica (mojado heterogéneo) . En esta situación, una interfaz agua-aire aproximadamente planar con una tensión de superficie de aproximadamente 72 mJ por metro cuadrado descansa unida a altos picos en el “paisaje de montaña” que representa la superficie hidrofóbica mientras que los valles se llenan con aire (figura 1) , cf. artículos publicados por Cassie y Baxter (1) y Wenzel (2) .

Las superficies sólidas del tipo discutido que muestran un ángulo de contacto hacia agua pura en el intervalo entre aproximadamente 150 y 180 grados comúnmente se denominan superficies superhidrofóbicas. Un ejemplo bien conocido tomado de la naturaleza misma es la hoja de la planta de loto (Nelumbo nucifera) . Es notable cuan fácilmente una gota de agua se puede mover rodando sobre una superficie superhidrofóbica tan pronto como haya la más ligera desviación del plano horizontal. La razón para este comportamiento es la fuerza adhesión total comparativamente débil que une la gota a la superficie ya que solo las partes completamente mojadas de la superficie sólida contribuyen. La similitud en comportamiento con una pequeña gota de mercurio es obvia aunque en el último caso la fuerza de adhesión se hace pequeña principalmente como resultado de la alta tensión de superficie de la gota de mercurio que impide desviaciones sustanciales de la forma esférica. Además, una superficie superhidrofóbica es, como regla, “autolimpiante” que significa que las partículas de polvo y suciedad que al principio se adhieren a la superficie se transfieren a las gotas de agua rociada sobre la superficie y después se eliminan cuando las gotas ruedan fuera de la superficie.

Onda y colaboradores (3) han ideado un método para hacer superficies de vidrio y metal superhidrofóbicas que se basa en untar una cera fundida (dímero de alquilceteno, AKD) sobre las superficies de sustrato seguido por cristalización. Además, un grupo japonés de investigadores han presentado una solicitud de patente basada en formar una película de AKD superhidrofóbica sobre superficies de Pt/Pd y por tanto transferir la estructura fractal a la película de Pt/Pd (4) .

Los métodos para depositar una capa de recubrimiento por expansión rápida de un solvente supercrítico ya son conocidos (7) .

A pesar de esfuerzos previos, todavía hay una necesidad en la técnica para mejorar el control y el aumento a escala de la aplicación de materiales y superficies fuertemente repelentes al agua, para facilitar la producción así como limitar el uso de material.

Por tanto, es el objeto de la invención satisfacer estas exigencias.

Compendio de la invención En un primer aspecto, la invención se refiere a un método para preparar una superficie superhidrofóbica en un sustrato sólido que comprende los pasos de:

(a) proporcionar un solvente en forma de un fluido presurizado en un recipiente, en donde el fluido muestra una disminución en poder de solvencia al disminuir la presión;

(b) añadir una sustancia hidrofóbica al solvente como un soluto, sustancia que es soluble con el fluido presurizado y tiene la capacidad de cristalizar/precipitar después de la expansión del fluido, obteniéndose de esta manera una solución del solvente y el soluto en el recipiente;

(c) tener al menos un orificio abierto en el recipiente, produciendo con ello que la solución presuriza fluya fuera del recipiente y se despresurice en el aire ambiente o en una cámara de expansión que tiene una presión menor que en el interior del recipiente, formando el soluto, de esta manera, partículas;

(d) depositar las partículas sobre el sustrato para obtener una superficie superhidrofóbica.

De esta manera, se usa un fluido presurizado que se expande rápidamente como resultado de la despresurización para preparar la superficie superhidrofóbica, facilitando con ello la preparación de la superficie.

Preferiblemente, el solvente es un fluido supercrítico, tal como CO2, N2, Ar, Xe, C3H8, NH3, N2O, C4H10, SF6, CCl2F2,

o CHF3, preferiblemente CO2.

En una forma de realización el fluido muestra un poder de solvencia que disminuye al menos 10 veces desde una fase supercrítica o una fase de fluido/gas.

En una forma de realización, la presión del fluido en el recipiente está en el intervalo de 50-500 bares, preferiblemente 150-300 bares.

En el caso de que el solvente sea un fluido supercrítico, la presión y temperatura del fluido en el recipiente preferiblemente están por encima del valor crítico para el fluido, para permitir una expansión rápida del fluido cuando la presión disminuye.

Preferiblemente, el soluto hidrofóbico muestra un ángulo de contacto intrínseco hacia el agua por encima de 90º, y se elige de ceras, tales como AKD, sustancias que contienen cadenas de hidrocarburos saturadas largas, tales como estearina, ácido esteárico, cera de abeja, o sustancias plásticas, tales como polietileno y polímero fluorados. También se puede usar cualquier otro soluto hidrofóbico que sea adecuado para su uso en la presente invención.

Además, la solución está preferiblemente cerca del nivel de saturación de la combinación solvente/soluto para reducir el consumo de solvente supercrítico, haciendo con ello el proceso más eficaz y menos costoso.

La temperatura de la solución puede estar en el intervalo de 30 a 150ºC, preferiblemente de 40 a 80ºC, dependiendo de los componentes específicos de la solución, es decir, la combinación de solvente, soluto y cualquier otro ingrediente añadido. Lo más preferiblemente, la temperatura está por encima del punto de fusión del soluto.

En una forma de realización, se abre más de un orificio en el recipiente, para permitir una preparación flexible de la superficie superhidrofóbica.

Además el/los orificio (s) se diseña (n) adecuadamente de modo que se cubra una superficie apropiada tras la sedimentación. Por ejemplo, el/los orificio (s) puede (n) comprender una boquilla que tiene una forma circular o similar.

La distancia desde el orificio al sustrato puede estar en el intervalo de 0, 5 a 100 cm, de 1 a 60 cm, preferiblemente de 1 a 6 cm (de 10 a 60 mm) dependiendo de las condiciones ambientales y propiedades deseadas de la superficie superhidrofóbica.

Además, la presión de la cámara de expansión está típicamente por debajo del límite... [Seguir leyendo]

1. Método para preparar una superficie superhidrofóbica sobre un sustrato sólido que comprende los pasos de:

(a) proporcionar un solvente en forma de un fluido presurizado en un recipiente, en donde el fluido muestra un descenso en el poder de solvencia al disminuir la presión;

(b) añadir una sustancia hidrofóbica al solvente como un soluto, sustancia que es soluble en el fluido presurizado y tiene la capacidad de cristalizar después de la expansión del fluido, obteniéndose con ello una solución del solvente y el soluto en el recipiente;

(c) tener al menos un orificio abierto en el recipiente, produciendo con ello que la solución presurizada fluya fuera del recipiente y se evapore en el aire ambiente o en una cámara de expansión que tiene una presión menor que dentro del recipiente, formando el soluto de esta manera partículas;

(d) depositar las partículas sobre el sustrato para obtener una superficie superhidrofóbica.

2. Método según la reivindicación 1, en donde el solvente es un fluido supercrítico, tal como CO2, N2, Ar, Xe, C3H8, NH3, C4H10, SF6, CCl2F2, CHF3, preferiblemente CO2.

3. Método según la reivindicación 1 o 2, en donde el fluido muestra un poder de solvencia que disminuye al menos 10 veces desde una fase supercrítica a una fase de fluido/gas.

4. Método según la reivindicación 1 o 2, en donde la presión del fluido en el recipiente está en el intervalo de 50500 bares, preferiblement.

15. 300 bares.

5. Método según la reivindicación 2, en donde la presión y temperatura del fluido en el recipiente están por encima del valor crítico para el fluido.

6. Método según la reivindicación 1, en donde el soluto hidrofóbico muestra un ángulo de contacto intrínseco hacia agua por encima de 90º, y se elige de ceras, tal como AKD, sustancias que contienen cadenas de hidrocarburo saturadas, largas, tal como estearina, ácido esteárico, cera de abejas, o sustancias plásticas, tal como polietileno y polímeros fluorados.

7. Método según la reivindicación 1, en donde la temperatura de la solución está en el intervalo de 30 a 150ºC, preferiblemente de 40 a 80ºC, lo más preferiblemente por encima del punto de fusión del soluto.

8. Método según la reivindicación 1, en donde la distancia desde el orificio al sustrato está en el intervalo de 0, 5 a 100 cm, de 1 a 60 cm, preferiblemente de 1 a 6 cm.

9. Método según la reivindicación 1, en donde la presión de la cámara de expansión está por debajo del límite de evaporación para el solvente y por encima del vacío, preferiblemente al nivel de presión ambiente.

10. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde las partículas que se forman sustancialmente están en el intervalo de tamaño de 10 nm a 100 µm.

Figura 1

Figura 2

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