Development of superhydrophobic coatings for textile and glass surfaces

Superhydrophobic surfaces have been widely explored by the scientific community and commercial market due to their remarkable properties as these surfaces are expected to repel water and show self-cleaning properties. These surfaces induce the beading of water drops, repelling them and dragging the accumulated dirt on the surface with them. This kind of surfaces has a wide range of applications. The present study is the result of a partnership between a private company, Extermínio, and the R&D centre, CQM (a National Research Laboratory). The goal of this partnership was the development of a superhydrophobic coating that could be applied to already existing surfaces, namely textiles and commercial glass, in order to turn them into superhydrophobic surfaces with the aim of making them easier to clean and increasing their durability, consequently decreasing the chemical products consumption used in those processes. For textiles, the selected samples were table linen, namely 100% cotton samples, both white and coloured and 50%/50% polyester/cotton coloured samples, and for commercial glass samples, flat glass was chosen. Different variables were considered when developing the coating solutions: pre-treated (chemically etched) and non-treated surfaces; different formulations but all silica-based (SiO2 10nm, SiO2 20nm and SiO2-PDMS); diverse solvents system; different concentrations; coating methods (dip coating and spray coating); number of coating layers; durability of the coatings (1hour, 24hours and 2 months) and contact angle measurements (24hours and 2 months). The different variables tested showed distinct results on both type of samples, but regarding the nanoparticles used, the SiO2-PDMS nanoparticles were the ones that revealed the best results. Lasting hydrophobic results were achieved for both type of samples (θ≥126°) which is an indicator that these coatings will ease the cleaning process and increase the durability the surfaces. No superhydrophobicity was attained (θ=180°), and therefore no self-cleaning property is expected from these coatings. The accomplished results are promising. More tests should be performed to understand the relationsip between the surface and the applied coatings. The first part of this dissertation is the presentation of the project framework and motivation that lead to its development as well as the intended goals. The work methodology and its structure are also briefly explained. The second part is dedicated to the theoretical introduction, in order to facilitate the concepts perception of this subject, starting with the historical perspective of superhydrophobic surfaces and its applications, as well as theoretical concepts as wettability and contact angle, surface roughness, contact angle hysteresis and measurements, as well as the creation of superhydrophobic surfaces. On the third part, the materials and methods applied to the development of the laboratory activities are described. The forth part is dedicated to explaining the choices of approach and also the presentation of the obtained results and its interpretation. Lastly, the fifth part is about the conclusions of the present work, as well as the learning’s and main difficulties found and some suggestion about future work that could be done to follow up the study carried out in this essay.As superfícies superhidrofóbicas têm sido amplamente exploradas pela comunidade cientifica e pelo mercado devido às suas notáveis propriedades, nomeadamente por estas superfícies repelirem a água e apresentarem propriedades de autolimpeza. Superfícies deste tipo induzem a contração das gotas de água repelindo-as e arrastando consigo a sujidade acumulada nas superfícies. O presente estudo é o resultado de uma parceria entre uma empresa privada, a Extermínio, e o Centro de I&D, CQM (Laboratório de Investigação Nacional), com o objetivo de desenvolver um revestimento superhidrofóbico que possa ser aplicado em superfícies já existentes, nomeadamente têxteis e vidro comercial, de modo a transformá-las em superfícies superhidrofóbicas e torná-las mais fáceis de limpar. Aumentando por isso a sua durabilidade e, consequentemente, diminuindo o consumo de produtos químicos utilizados nestes processos. Para os têxteis, as amostras selecionadas foram toalhas de mesa, nomeadamente amostras de 100% algodão, tanto brancas como coloridas, e de 50%/50% poliéster/algodão coloridas, e para as amostras de vidro comercial foi escolhido o vidro plano. Foram testadas diferentes variáveis aquando do desenvolvimento das soluções de revestimento: superfícies pré-tratadas (quimicamente cauterizadas) e não tratadas; diferentes formulações porém todas à base de sílica (SiO2 10nm, SiO2 20nm e SiO2-PDMS) diferentes sistemas de solventes; diferentes concentrações; diferentes métodos de revestimento (por imersão e por pulverização); número de camadas de revestimento; durabilidade dos revestimentos (1 hora, 24 horas e 2 meses) e medição de ângulos de contacto (24 horas e 2 meses). As diferentes variáveis testadas mostraram resultados distintos em ambos os tipos de amostras. No que toca às nanopartículas utilizadas, as nanopartículas de SiO2-PDMS foram as que revelaram os melhores resultados. Foram obtidos resultados hidrofóbicos duradouros para ambos os tipos de amostras (θ≥126°), o que é um indicador de que estes revestimentos irão facilitar o processo de limpeza e aumentar a durabilidade das superfícies. Não foi alcançada superhidrofobicidade (θ=180°) e, portanto, não foi esperada nenhuma propriedade autolimpeza destes revestimentos. Apesar dos resultados alcançados terem sido promissores para uma aplicação comercial deverão ser realizados mais testes para compreender a relação entre a superfície e os revestimentos aplicados e melhorar a formulação e o tratamento das superfícies. A primeira parte desta dissertação é constituída pela apresentação da estrutura do projeto e da motivação que levou ao seu desenvolvimento, bem como os objetivos definidos. A metodologia do trabalho e o seu enquadramento são também brevemente explicados. A segunda parte é dedicada à introdução teórica, de forma a facilitar a compreensão dos conceitos apresentados, partindo de uma perspetiva histórica das superfícies superhidrofóbicas e as suas aplicações, bem como os conceitos teóricos como molhabilidade e angulo de contacto, rugosidade da superfície, histerese do angulo de contacto e medições, bem como a criação de superfícies superhidrofóbicas. Na terceira parte, estão descritos os materiais e métodos aplicados no desenvolvimento das atividades laboratoriais descritas. A quarta parte é dedicada a explicar as abordagens escolhidas, assim como a apresentação dos resultados obtidos e sua interpretação. Finalmente, na quinta parte são apresentadas as conclusões do trabalho, bem como as aprendizagens e principais dificuldades encontradas e algumas sugestões para futuros trabalhos a desenvolver neste estudo