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Dec 05, 2023

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 44 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Baustoffe mit hydrophoben Oberflächen können eine längere Lebensdauer aufweisen, indem sie die Aufnahme oder Diffusion von Feuchtigkeit durch ihre Oberflächen verhindern. Bei Beton, der im Bauwesen verwendet wird, kann diese Hydrophobie die Korrosion von Bewehrungsstahlstäben verhindern. Geopolymere sind ein neues zementfreies Bindemittel, das eingehend untersucht wurde, um Portlandzement zu ersetzen. Allerdings sind Geopolymere, ähnlich wie normaler Beton, anfällig für die Aufnahme von Feuchtigkeit. In diesem Artikel wird die Herstellung einer superhydrophoben und selbstreinigenden Oberfläche auf einem Flugasche-Geopolymer als Methode zur Verhinderung der Feuchtigkeitsaufnahme vorgestellt. Zur Bildung der hydrophoben Oberfläche wurde eine Verbundbeschichtung aus einer Polydimethylsiloxanlösung (PDMS), die dispergierte Mikropartikel aus Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Calciumstearat (CS) enthielt, durch Tauchbeschichtung aufgetragen. Zusätzlich wurde Flugasche in die PTFE- und CS-Mikropartikel eingearbeitet, um die Oberflächenrauheit zu erhöhen und die Materialkosten zu senken. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass die Beschichtung mit CS-Mikropartikeln eine hydrophobe Oberfläche mit einem Kontaktwinkel von 140° ergab, während die Beschichtung mit PTFE-Mikropartikeln eine superhydrophobe Oberfläche mit einem Kontaktwinkel von 159° lieferte. Der Einbau von Flugasche führte zu einer erhöhten Oberflächenrauheit, was zu einem größeren Kontaktwinkel und einem kleineren Gleitwinkel führte. Auf der mit PTFE/Flugasche beschichteten Oberfläche wurde ein Kontaktwinkel von 153° mit einem Gleitwinkel von 8,7° beobachtet. Der Reinigungsprozess wurde anhand eines Tests demonstriert, bei dem der Staub durch von der Oberfläche abperlende Wassertropfen entfernt wurde. Die getestete Beschichtung zeigte selbstreinigende und wasserabweisende Eigenschaften und könnte so die Nachhaltigkeit von Materialien im Hochbau verbessern.

Die Oberflächenhydrophilie bzw. Benetzbarkeit von Baustoffen ist einer der einflussreichsten Parameter für deren Lebensdauer. Feuchtigkeit kann in eine Betonmatrix eindringen, was zu Rissen, Algen- und Pilzwachstum1 und Korrosion der Bewehrungsstahlstäbe2 führt. Darüber hinaus kann sich auf Baumaterialien Staub ablagern, der gereinigt werden muss und zusätzliche Wartungskosten verursacht. Daher ist die Entwicklung von superhydrophoben und selbstreinigenden Oberflächen für Baumaterialien wichtig, um die Matrix vor dem Eindringen von Wasser zu schützen und eine einfache Staubentfernung durch abfließendes Wasser zu ermöglichen3. Superhydrophobe Oberflächen haben eine geringe Adhäsionskraft und Oberflächenenergie, wodurch die Ansammlung von Staubpartikeln verringert und die Oberflächenreinigung bei Regen erleichtert wird4. Superhydrophobie bietet Beton außerdem einen antimikrobiellen und korrosionsbeständigen Schutz und verlängert so seine Lebensdauer.

Eine superhydrophobe Oberfläche ist definiert als eine Oberfläche mit statischen Wasserkontaktwinkeln von mehr als 150°5. Für selbstreinigende Eigenschaften ist außerdem ein Gleitwinkel von weniger als 10° erforderlich, zusammen mit einem hohen Kontaktwinkel6. Ein geringer Gleitwinkel wird aufgrund des superhydrophoben und selbstreinigenden Verhaltens von Lotusblättern als „Lotuseffekt“ bezeichnet7,8.

In der Bau- und Textilindustrie wird häufig eine Verbindung auf Silikonbasis als wasserabweisendes Mittel zur Herstellung einer hydrophoben Beschichtung verwendet9,10,11. Sprühen, Tauchbeschichten und Streichen sind einfache und kostengünstige Techniken zur Erzeugung superhydrophober Oberflächen auf Baumaterialien3,12,13,14. Aufgrund seiner geringen Oberflächenenergie ist Polydimethylsiloxan (PDMS) eine wichtige Verbindung auf Siliziumbasis, die häufig als Basisbeschichtung zur Erzielung von Hydrophobie verwendet wird10,11. Die alleinige Verwendung von PDMS führt jedoch zu einer schlechten Haftung auf der Textiloberfläche und bietet keine Oberflächenrauheit und Selbstreinigungseigenschaften; Daher weist das resultierende Material eine begrenzte Haltbarkeit auf, wenn es widrigen Umgebungsbedingungen ausgesetzt wird. Im Allgemeinen wird die Benetzbarkeit fester Oberflächen durch die chemische Zusammensetzung und die geometrischen Merkmale der Oberfläche gesteuert.

Superhydrophobie kann durch die Schaffung einer rauen Oberfläche auf Substraten mit niedriger Oberflächenenergie erreicht werden11,15. Zur Erzeugung von Oberflächenrauheit wurden verschiedene Arten von Mikropartikeln verwendet, beispielsweise Titanoxid11, SiO2-Nanopartikel10 und Polytetrafluorethylen (PTFE)3,13,16. PTFE hat eine niedrige Oberflächenenergie und hervorragende Eigenschaften zur Reduzierung von Adhäsion und Reibung. In der Bauindustrie wird Calciumstearat (CS) als wasserabweisender Zusatz zu feuchtigkeitsbeständigem Beton verwendet. Allerdings erhöht ein hoher CS-Anteil den Luftgehalt und verringert die Dichte des Betons17. Die Oberflächenenergie von PTFE beträgt 19 mJ/m218, während die von CS 23 mJ/m219 beträgt. Aufgrund der geringeren Kosten wird CS jedoch im Allgemeinen gegenüber PTFE bevorzugt, um die Hydrophobie von Baumaterialien zu verbessern.

Derzeit wird der Einsatz umweltfreundlicher Baumaterialien weithin gefördert. Zu diesem Zweck ist die Nutzung von Industrieabfallasche zur Reduzierung des Portlandzementanteils in Betonmischungen ein umweltfreundlicher Ansatz. Industrieabfallaschen, bei denen es sich um Flugasche (FA), Bodenasche, Reisschalenasche, Bagassenasche und Palmölbrennstoffasche handelt, werden zunehmend verwendet, um Portlandzement in Gehwegen und Straßen teilweise zu ersetzen20,21,22,23. Geopolymere sind zementfreie Bindemittel, die durch die Reaktion von silizium- und aluminiumoxidreichen Materialien mit Alkalilösungen hergestellt werden. Die bevorzugten Ausgangsmaterialien sind Flugasche, Schlacke und Metakaolin, und die am häufigsten verwendeten Alkaliaktivatoren sind Natriumhydroxid und Natriumsilikat. Diese Lösungen reagieren mit aktivem Siliciumdioxid (SiO2) und Aluminiumoxid (Al2O3) und bilden ein Si-O-Al-Netzwerk24,25. Es bindet und härtet ähnlich wie Zementleim aus. Dieses Material wurde aufgrund seiner guten Leistung ausführlich untersucht26,27.

Ähnlich wie zementbasierte Materialien können Geopolymere Feuchtigkeit und Wasser aufnehmen, da sie eine poröse Struktur haben und viele Hohlräume enthalten. Daher schlägt diese Studie die Herstellung superhydrophober und selbstreinigender Oberflächen auf Geopolymeren vor. Hierbei handelt es sich um eine raue Oberflächenbeschichtung, die durch die Einarbeitung von PTFE- und CS-Mikropartikeln, dispergiert in einem PDMS-Bindemittel, erzeugt wird, wobei PDMS die Mikropartikel bindet und an der Materialoberfläche fixiert11. Forscher haben über die Herstellung hydrophober Oberflächen auf Baumaterialien3 und Baumwollstoffen28 unter Verwendung von Flugasche berichtet. Auf Baumaterialien wird eine zweistufige Sprühbeschichtung eingesetzt3, bei der zunächst eine Epoxidharzlösung auf die Oberfläche gesprüht wird und anschließend eine Flugaschesuspension aufgesprüht wird. Bei Baumwollstoffen28 wird die hydrophobe Oberfläche durch Eintauchen der Stoffe in eine mit Flugasche suspendierte Lösung, Trocknen und anschließendes Aushärten bei 120 °C hergestellt. Anschließend wird ein OTES auf die mit Flugasche beschichteten Baumwollstoffe aufgetragen, um die Oberflächenenergie zu senken. Die hier entwickelten Beschichtungsmaterialien könnten in einem Schritt per Tauchbeschichtung aufgetragen oder auf die Oberfläche von Baustoffen gestrichen werden. In dieser Studie wurde die Tauchbeschichtungsmethode gewählt, um eine PDMS-Verbundbeschichtung mit dispergierten PTFE- oder CS-Mikropartikeln aufzutragen, in die auch FA eingearbeitet wurde, um für zusätzliche Oberflächenrauheit zu sorgen und die Materialkosten zu senken3. Zur Charakterisierung der superhydrophoben und selbstreinigenden Eigenschaften wurden die Kontaktwinkel und Gleitwinkel von Wassertropfen auf der Beschichtungsoberfläche gemessen. Die entwickelte Verbundbeschichtung soll auch für die Herstellung superhydrophober Beschichtungen auf anderen Baumaterialien nützlich sein.

PTFE- und CS-Mikropartikel wurden als wasserabweisende Materialien zur Herstellung superhydrophober Oberflächen verwendet. Handelsübliches PTFE und CS wurden von einem Chemielieferanten bezogen. Der FA stammte aus einem BLCP-Kraftwerk in der Provinz Rayong, Thailand. FA war ein Nebenprodukt des Kohlenstaubverbrennungsprozesses, bei dem Steinkohle als Ausgangsstoff verwendet wurde. Es wurde zur Herstellung von Geopolymeren und zum Ersatz wasserabweisender Materialien verwendet, um die Materialkosten zu senken und eine größere Oberflächenrauheit zu erzielen3. Die PTFE- und CS-Partikel waren weiß und das FA war dunkelbraun. Die mittleren Partikelgrößen (D50) von PTFE, CS und FA betrugen 3,3, 8,6 bzw. 13,1 µm, gemessen mit einem Partikelgrößenanalysator (Malvern Mastersizer 3000); Darüber hinaus betrugen ihre entsprechenden Werte für das spezifische Gewicht 2,1, 1,1 und 2,2, getestet gemäß ASTM C188-14. Die physikalischen Eigenschaften dieser Mikropartikel sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Morphologie der Partikel aus Rasterelektronenmikroskopie (REM, Leo 1450VP, Goldbeschichtung) ist in Abb. 1 dargestellt. Die PTFE- und CS-Partikel haben unregelmäßige Formen, während die FA-Partikel sind kugelförmig, da sie im heißen Rauchgas schnell erstarren.

REM-Bilder der (a) PTFE-, (b) CS- und (c) FA-Partikel.

Darüber hinaus wurden flüssiges PDMS mit einem Härter, Hexan und Natriumsilikatlösung (Na2SiO3, 30 Gew.-% SiO2, 9 Gew.-% Na2O) verwendet. Aus festem NaOH wurde eine 8 M Natriumhydroxidlösung (8 M NaOH) hergestellt. Zur Herstellung des Geopolymermörtels wurde feiner Flusssand mit einem spezifischen Gewicht von 2,7 und einem Feinheitsmodul von 1,9 verwendet.

Als Untergrund für die Beschichtung wurde der Geopolymermörtel FA verwendet. Die gemischte Alkalilösung wurde mit einem Na2SiO3-zu-NaOH-Massenverhältnis von 2 hergestellt. Einhundert Gramm FA und 100 g Alkalilösung wurden in einer Rührschüssel gemischt. Die Mischung wurde gemischt, bis eine gleichmäßige Paste entstand. Anschließend wurden der Paste 200 g feiner Flusssand zugesetzt. Der Mörtel wurde in 2,5 × 5 × 1 cm3 große Silikonformen gegossen und 24 h26 bei 65 °C ausgehärtet. Die ausgehärteten Geopolymermörtel wurden entformt und in verschließbaren Beuteln aufbewahrt.

PDMS ist ein kostengünstiges hydrophobes Polymer und wurde zur Beschichtung fester Oberflächen verwendet. Die PDMS-Lösung wurde durch Mischen von 0,9 g der PDMS-Basis mit 0,1 g des Härters in einem Becherglas hergestellt. Die Lösung wurde dann mit 30 ml Hexan als Verdünner verdünnt10,15. Die Mikropartikel (PTFE oder CS) wurden gründlich mit FA trocken gemischt und dann der PDMS-Lösung zugesetzt. Die Mischung wurde 10 Minuten lang mit einem Ultraschallbad beschallt, um die Mikropartikel in der PDMS-Lösung zu dispergieren und die Bildung des Beschichtungsvorläufers zu ermöglichen3. Anschließend wurden die 28-Tage-Geopolymermörtel 30 Sekunden lang in die Lösung getaucht und 24 Stunden lang bei Raumtemperatur (26–30 °C) trocknen gelassen. Die Anteile der wasserabweisenden Mischungen sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die Dicken der verschiedenen getesteten Beschichtungen wurden anhand der Oberflächenrauheit mithilfe von REM-Bildgebung und dem ImageJ-Programm gemessen. Diese Rauheitsmessung ergab die durchschnittliche Rauheit (Ra). Ein schematisches Diagramm für die Herstellung des wasserabweisend beschichteten superhydrophoben Geopolymers ist in Abb. 2 dargestellt.

Herstellung des wasserabweisend beschichteten superhydrophoben Geopolymers.

Die Kontakt- und Gleitwinkel eines Wassertropfens auf den beschichteten Proben wurden mit einem Kontaktwinkelgoniometer (Ossila L2004A1) gemessen. Die Ergebnisse sind der Durchschnitt von drei Tests mit einem ap-Wert von weniger als 0,05 (5 %). Die auf den beschichteten Oberflächen gebildete Mikrostruktur wurde auch mittels REM untersucht. Die REM-Bilder der beschichteten Oberfläche wurden zur Erstellung eines 3D-Oberflächenplots und zur Rekonstruktion des Oberflächenprofils mit dem Programm ImageJ verwendet.

Die Haltbarkeit der beschichteten Oberflächen wurde durch einen Haftungstest nach ASTM C3359-1730 bestimmt. Kurz gesagt wurde ein Gitter von 1 mm × 1 mm mit sechs Schnitten auf eine beschichtete Probe gezeichnet. Anschließend wurde ein Stück Haftklebeband (Klebeband) über das Gittermuster geklebt und anschließend entfernt. Die Haftung der Beschichtung wurde qualitativ auf einer Skala von 0–5 bewertet.

Der Selbstreinigungstest wurde durchgeführt, um die Fähigkeit zur Entfernung von Staub zu bestimmen, der im Allgemeinen durch die Ansammlung von Rauchpartikeln oder Industrieemissionen entsteht. In dieser Studie wurde Bagasse-Asche ausgewählt, um Staub aus Industrieabgasen darzustellen und zur Bestimmung der Selbstreinigungsfähigkeit der Beschichtungen zu verwenden. Die Asche wurde aus der Verbrennung von Bagasse in einer Zuckerfabrik gewonnen31. Die Bagassenasche wurde durch ein Sieb Nr. 40 (0,42 mm Öffnung) gemäß der Empfehlung von ASTM D2132-1932 geleitet, um die Selbstreinigungsfähigkeit jeder Beschichtung zu bestimmen. Die Asche wurde auf die beschichtete Oberfläche gestreut und anschließend wurde ein Wassertropfen auf den Staub gelegt11. Die Bilder wurden aufgenommen, während der Wassertropfen über den Staub rollte.

Die Benetzungseigenschaften einer Oberfläche werden durch den Kontaktwinkel charakterisiert. Ein hoher Kontaktwinkel bedeutet eine geringe Benetzung einer festen Oberfläche. Im Allgemeinen ist eine Oberfläche hydrophob, wenn ihr statischer Wasserkontaktwinkel größer als 90° ist, und eine Oberfläche wird als superhydrophob eingestuft, wenn der Kontaktwinkel 150° übersteigt. Darüber hinaus gilt ein Gleitwinkel von weniger als 10° als selbstreinigende Oberfläche6. Der statische Wasserkontaktwinkel der beschichteten Oberfläche ist in Tabelle 3 aufgeführt.

Die Ergebnisse zeigten, dass die unbeschichtete Geopolymeroberfläche hydrophil war und einen Kontaktwinkel von weniger als 90° hatte, wodurch das Wasser in die Matrix eindringen konnte. Die Oberfläche des PDMS-beschichteten Geopolymers (Kontrollprobe) war wasserbeständig und hydrophob und wies einen Kontaktwinkel von 113° auf, ähnlich dem zuvor berichteten33. Allerdings war die obige Probe nicht selbstreinigend, da sie nicht die erforderliche Oberflächenrauheit aufwies. Daher wurden hydrophobe Mikropartikel, z. B. CS und PTFE, hinzugefügt, um die geometrische Struktur zu kontrollieren und die Oberflächenrauheit zu erhöhen11,34,35. Anschließend erhöhten sich die Kontaktwinkel der Wassertropfen auf den beschichteten Oberflächen auf 140° bzw. 159° für die beschichteten Oberflächen, die CS bzw. PTFE enthielten.

Durch den zusätzlichen Einbau von FA mit CS (CS-F-Probe) betrug der Kontaktwinkel 152°, was die Superhydrophobie der beschichteten Oberfläche erhöhte. Dies war auf die Unterschiede in der Partikelgröße und -form von FA und CS zurückzuführen, wie in Tabelle 1 und Abb. 1 dargestellt. Die CS-Partikel lagerten sich über den dispergierten FA-Partikeln ab, was zur Bildung kleiner runder Ausstülpungen führte. Diese runden Höcker spielen, wie im Fall von Lotusblättern13, eine wichtige Rolle dabei, der Beschichtung ein superhydrophobes Verhalten zu verleihen und so ein Benetzen zu verhindern und das Eindringen von Wasser in den Beton zu verhindern.

Wenn FA zusätzlich mit PTFE eingearbeitet wurde (PTFE-F-Probe), verringerte sich der Kontaktwinkel leicht von 159° auf 153° im Vergleich zu nur PTFE-Mikropartikeln. Diese Verringerung könnte auf die Unterschiede in der Partikelform und -größe zurückzuführen sein. Die Korngröße von PTFE war viel kleiner als die von FA. Dies führte zu einer zufälligen Ablagerung zwischen den beiden unterschiedlich großen Arten von Mikropartikeln. Allerdings war die Oberfläche auch superhydrophob. Der Ersatz von PTFE durch 10 % FA in der Beschichtung veränderte die Oberfläche von superhydrophob zu hydrophob, wenn eine Sprühbeschichtungsmethode verwendet wurde3. Bemerkenswert ist, dass die in dieser Studie verwendete Tauchbeschichtungsmethode im Vergleich zur Sprühbeschichtungsmethode gute Ergebnisse lieferte3. Dies war zum Teil auf die gute Verteilung der Mikropartikel während des Beschallungsprozesses zurückzuführen. Für industrielle Anwendungen wird jedoch die Zugabe von Dispergiermitteln wie Natriumpolyacrylat, Natriumhexametaphosphat und Natriumsilikat zur Mischung empfohlen36.

Zur Messung des Gleitwinkels wurde der Rollwassertest auf der beschichteten Oberfläche durchgeführt. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 3 aufgeführt. Für die Kontrolle stellte die PDMS-Beschichtung eine hydrophobe Oberfläche bereit; Allerdings betrug der Gleitwinkel mehr als 90° und der Wassertropfen rollte nicht auf dieser Oberfläche. Dieses Ergebnis war wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass der Oberfläche eine geeignete Rauheit fehlte. Bei Verwendung von CS-Mikropartikeln war der Gleitwinkel mit einem Wert von 42,1° immer noch hoch. Dies war wahrscheinlich auf die schlechte Dispersion und Agglomeration der Partikel in der PDMS-Beschichtung zurückzuführen. Bei der Einbindung von FA in CS-Mikropartikel verringerte sich der Gleitwinkel auf 15,8°, was auf eine Zunahme der Oberflächenrauheit schließen lässt. Bei Verwendung von PTFE- und PTFE/FA-Mikropartikeln wurde eine selbstreinigende Oberfläche erhalten. Die Gleitwinkel der PTFE- und PTFE/FA-beschichteten Oberflächen waren ähnlich, nämlich 8,9° bzw. 8,7°. So wurden die Beschichtungen mit PTFE und PTFE/FA als superhydrophobe und selbstreinigende Oberflächen (≤ 10°) identifiziert, die den „Lotuseffekt“7 zeigen.

SEM-Aufnahmen der beschichteten Oberflächen sind in Abb. 3 dargestellt. Bei der CS-beschichteten Probe (Abb. 3a) wurde eine Agglomeration beobachtet, die auf die geringe Dispersion der CS-Partikel in der PDMS-beschichteten Basis zurückzuführen ist, während die PTFE-Partikel waren gut verteilt (Abb. 3c). Eine starke Grenzflächenanziehungskraft führt auch zur Agglomeration von Partikeln37. Beim Mischen von FA mit CS wurde eine gleichmäßige Oberfläche mit vielen FA-Partikeln beobachtet (Abb. 3b). Bei der PTFE-F-Probe führte eine gute Mischung zu einer gleichmäßigen Oberfläche, die nur wenige kleine FA-Partikel enthielt (Abb. 3d). Die Rauheit der beschichteten Oberflächen wurde anhand der Graustufenfarbe der Proben qualitativ bewertet. Die Rauheit spielt eine wichtige Rolle für die Benetzungseigenschaften von Oberflächen. Eine Erhöhung der Oberflächenrauheit führt zu einem größeren Kontaktwinkel8. Die 3D-Bilder und Oberflächenprofile aus dem REM (Abb. 3) sind in Abb. 4 dargestellt.

REM-Aufnahmen der beschichteten Oberflächen: (a) CS, (b) CS-F, (c) PTFE und (d) PTFE-F.

3D-Bilder und Oberflächenprofile der beschichteten Oberflächen: (a) CS, (b) CS-F, (c) PTFE und (d) PTFE-F.

Abbildung 4a zeigt niedrige und hohe schmale Peaks in der CS-Probe mit Basen von 5–10 µm Breite. In der CS-F-Probe war die Peakbasis mit 10–20 µm breiter, wie in Abb. 4b dargestellt, was darauf hindeutet, dass die Flugaschepartikel von den CS-Partikeln bedeckt waren, was zu breiteren Peaks führte. Der gleiche Trend wurde bei der PTFE-F-Probe beobachtet. Die gleichmäßige Rauheit der PTFE-beschichteten Oberfläche ist in Abb. 4c dargestellt, was mit früheren Untersuchungen übereinstimmt3. Dieser Effekt war auf die geringe Partikelgröße von PTFE und seine gute Dispersion in der PDMS-Basisbeschichtung zurückzuführen. Darüber hinaus waren die Peakhöhen ungefähr die gleichen wie bei Zugabe von FA (Abb. 4d). Die Ra-Werte wurden mit dem Programm ImageJ berechnet. Die Ra-Werte der CS-, CS-F-, PTFE- und PTFE-F-Proben betrugen 43,4, 50,2, 49,9 bzw. 55,6 μm. Im Vergleich zu den CS- oder PTFE-Partikeln allein führte die Einbindung von Flugasche mit CS oder PTFE zu einem leichten Anstieg des Ra-Wertes.

Im Fall von PTFE mit FA veränderten sich der Kontaktwinkel und der Gleitwinkel dieser Oberfläche nicht wesentlich und deuteten immer noch auf eine superhydrophobe und selbstreinigende Oberfläche hin. Um eine superhydrophobe, lotusartige Oberfläche zu erhalten, ist im Allgemeinen die Verwendung zweier Partikelgrößen erforderlich38. Allerdings wurde eine Dosierung von 10 Gew.-% des wasserabweisenden Materials empfohlen, da die großen FA-Partikel die Bildung lotusartiger Multiskalenstrukturen3 behinderten und zu einem Gleitwinkel von mehr als 10° führten. Eine Oberfläche mit hohem Kontaktwinkel führt nicht immer zu einem niedrigen Gleitwinkel, da die Rauheit der Oberfläche den Gleitwinkel beeinflusst. Um einen geringen Gleitwinkel zu erzielen, wurde eine nadelartige Struktur mit einer Teilung von weniger als 1 µm bevorzugt6. Daher war der Einbau von Nanopartikeln in Mikropartikel entscheidend für die Erzielung eines geringen Gleitwinkels auf den beschichteten Geopolymeren.

Beschichtungshaftungstests wurden gemäß ASTM D3359-1730 durchgeführt. Die Haftung wurde durch Inspektion der Gitterfläche nach dem Abziehen des Klebebands bewertet, wie in Tabelle 4 gezeigt. Die Beschichtung mit PDMS (die Kontrolle) ergab eine 4B-Rate, wobei 4 % der Fläche entfernt wurden, wohingegen wasserabweisende Partikel hinzugefügt wurden in das PDMS führte zu geringeren Adhäsionsraten von 3B und 2B bei einem hohen Prozentsatz der entfernten Fläche, insbesondere bei der 2-Mikropartikel-Beschichtung. Dieses Ergebnis könnte auf die heterogene Mischung der beschichteten Lösung und die Trennung der agglomerierten Mikropartikel durch das Klingenmesser zurückzuführen sein. Daher sind eine gute Dispersion der Mikropartikel und eine geringe Verdünnung von PDMS für eine gute Haftung von Vorteil.

Der Selbstreinigungsprozess entsteht dadurch, dass Wassertropfen von der Oberfläche abperlen und dabei den Staub ansammeln. Der Selbstreinigungsprozess der beschichteten Oberflächen ist in Abb. 5 und Video S1 dargestellt. Als die Oberfläche des Geopolymermörtels teilweise tauchbeschichtet und in Wasser eingetaucht wurde, wurde eine benetzte Zone auf der nicht beschichteten Oberfläche beobachtet, wie in Abb. 5a dargestellt. Im Allgemeinen ist die Geopolymer- oder Zementbetonoberfläche hydrophil, sodass Wasser leicht eindringen kann, was zu einer Verschlechterung der Betonstruktur führt. Darüber hinaus kann es bei Vorhandensein von Bewehrungsstäben zu Korrosion kommen. Wenn die Oberfläche mit einer Beschichtung auf PTFE/FA-Basis beschichtet wurde, verbesserte sich die hydrophobe Eigenschaft der Oberfläche. Wenn ein Wassertropfen auf die mit Staub bedeckte beschichtete Oberfläche rollte, wurde der Staub vom Wassertropfen aufgenommen, was durch die hellere Flugbahn des Tropfens zu erkennen ist (Abb. 5b).

Selbstreinigungsprozess und Wasserabdichtungsfähigkeit der PTFE-F-beschichteten Oberfläche: (a) beschichtete und nicht beschichtete Zonen, (b) Staubreinigung und (c) Wassertropfen auf einer beschichteten Oberfläche bei t = 0, 60 und 90 min.

Die Wasserdichtigkeit der beschichteten Oberfläche wurde getestet, indem die Form des Wassertropfens bei 0, 60 und 90 Minuten in einer Atmosphäre mit 100 % relativer Luftfeuchtigkeit untersucht wurde. Wie in Abb. 5c gezeigt, blieb die runde Form des Wassertropfens nach dem 90-minütigen Testzeitraum erhalten. Darüber hinaus ist in den Zusatzdaten (Video S2) ein Videoclip zu sehen, in dem Wasser auf die beschichtete Oberfläche gesprüht wird.

Der Selbstreinigungsmechanismus auf einer rauen Oberfläche entsteht dadurch, dass sich Wassertropfen entlang der beschichteten Oberfläche bewegen oder rollen und der vorhandene Staub in den Wassertropfen gesammelt wird. Die Selbstreinigung von Schmutzpartikeln ist möglich, wenn die Oberflächenrauheit sowohl die Haftung des Tropfens an der Oberfläche als auch die Haftung zwischen Schmutzpartikeln und Oberfläche minimiert; Dadurch werden die Schmutzpartikel leicht von den rollenden Tröpfchen aufgenommen, was als „Lotuseffekt“ bekannt ist7,39.

Somit verleihen die beschriebenen Beschichtungen mit PTFE- oder PTFE/FA-Mikropartikeln der Geopolymeroberfläche selbstreinigende und wasserabweisende Eigenschaften. Darüber hinaus können diese Beschichtungen die Staubansammlung verringern und das Eindringen von Wasser verhindern, wodurch die Lebensdauer dieser Baumaterialien verlängert wird. Im Allgemeinen ist Hydrophobie für Baumaterialien unter erschwerten Bedingungen erforderlich, beispielsweise für Betonkonstruktionen, die Meeresumgebungen40 und Beton in sauren Umgebungen41 ausgesetzt sind. Die hydrophobe Oberfläche schützt die Korrosion von Stahl vor dem Eindringen von Chloridionen und der Auflösung von Kalzium aus Beton unter sauren Bedingungen.

Die Beschichtungslösung könnte durch Streichverfahren auf Gebäude aufgetragen werden. In diesem Fall werden für die Produktion im großen Maßstab ein Dispergiermittel und eine gleichmäßige Durchmischung empfohlen. Für industrielle Anwendungen werden Dispersionsmittel wie Natriumpolyacrylat, Natriumhexametaphosphat und Natriumsilikat empfohlen, um die Dispersion von Mikropartikeln zu verbessern36. Aufgrund der Verwendung eines Lösungsmittels zum Verdünnen von PDMS sind während des Beschichtungsprozesses Sorgfalt und Schutz erforderlich.

Selbstreinigende superhydrophobe Oberflächen auf Geopolymeroberflächen wurden durch Tauchbeschichtung hergestellt, um eine Verbundbeschichtung aus PDMS zu erhalten, die dispergierte PTFE- oder CS-Mikropartikel gemischt mit FA enthält. Der Einbau von FA in CS- oder PTFE-Mikropartikel war aufgrund der Erhöhung der Oberflächenrauheit, die zu einem höheren Wasserkontaktwinkel von 140°–159° führte, von entscheidender Bedeutung, um superhydrophobe Oberflächen zu erhalten. Allerdings waren die Gleitwinkel der beiden Systeme unterschiedlich. Die Einarbeitung von CS führte zu einem Rosenblüteneffekt mit einem hohen Gleitwinkel von über 90°. Der Einbau von FA in die PTFE-Mikropartikel führte zu einem Gleitwinkel von 8,7°, was für die als „Lotuseffekt“ beschriebenen selbstreinigenden Eigenschaften sorgte. Die beschichtete Oberfläche war außerdem wasserdicht, da der Wassertropfen nach der 90-minütigen Testzeit seine runde Form beibehielt. Daher könnte das mit dem PDMS-Verbundwerkstoff mit PTFE/FA-Mikropartikeln beschichtete Geopolymer die Staubansammlung reduzieren und das Eindringen von Wasser verhindern, was zu einer sauberen Oberfläche führt, die die Lebensdauer dieser Baumaterialien verlängern würde.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Die Autoren möchten dem Center of Excellence on Environmental Health and Toxicology (EHT), OPS, und dem Ministerium für Hochschulbildung, Wissenschaft, Forschung und Innovation, Thailand, für ihre hervorragende technische Unterstützung danken. Der Erstautor möchte sich für die „Unterstützung durch Forschung und Graduiertenstudien“ der Khon Kaen University bedanken.

Abteilung für Bauingenieurwesen, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Forschungs- und Entwicklungszentrum für nachhaltige Infrastruktur, Khon Kaen University, Khon Kaen, 40002, Thailand

Prinya Chindaprasirt

Akademie der Wissenschaften, Royal Society of Thailand, Dusit, Bangkok, 10300, Thailand

Prinya Chindaprasirt

Abteilung für Bauingenieurwesen, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Kompetenzzentrum für Naturkatastrophenmanagement, Universität Chiang Mai, Chiang Mai, 50200, Thailand

Peerapong Jitsangiam

Fakultät für Chemie, Fakultät für Naturwissenschaften, Burapha-Universität, Chonburi, 20131, Thailand

Pumipat K. Pachana & Ubolluk Rattanasak

Kompetenzzentrum für Umweltgesundheit und Toxikologie (EHT), OPS, MHESI, Bangkok, 10400, Thailand

Pumipat K. Pachana & Ubolluk Rattanasak

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PC überwachte, überprüfte und redigierte das Manuskript. PJ und PKP haben das Manuskript überprüft und bearbeitet. UR hat den Haupttext des Manuskripts geschrieben und alle Abbildungen vorbereitet. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Ubolluk Rattanasak.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Zusatzvideo 1.

Zusatzvideo 2.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Chindaprasirt, P., Jitsangiam, P., Pachana, PK et al. Selbstreinigendes superhydrophobes Flugasche-Geopolymer. Sci Rep 13, 44 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-022-27061-6

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Eingegangen: 13. Mai 2022

Angenommen: 23. Dezember 2022

Veröffentlicht: 02. Januar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-27061-6

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