Funktionaaliset nanopinnoitteet koneenrakennuksessa
1 Funktionaaliset nanopinnoitteet koneenrakennuksessa Prof. Tapio Mäntylä TTY Materiaaliopin laitos Keraamimateriaalien laboratorio Nanopinnoitteita koneenrakentajille 8.4.2010. Department of Materials Science TAPIO MÄNTYLÄ: 8.4.2010 Yleisimpien nanotuotteiden sekä niillä aikaansaatujen ominaisuuksien ja toiminnallisuuksien välinen riippuvuus Department of Materials Science 2 TAPIO MÄNTYLÄ: 8.4.2010 M.F. Ashby et.al. 2009 3 ”Smart materials” Erilaisilla ärsykkeillä aikaansaadut yleisimmät ominaisuuksien muutokset Department of Materials Science TAPIO MÄNTYLÄ: 8.4.2010 M.F. Ashby et.al, 2009 4 Funktionaaliset pinnoitteet Kulumiskestävät pinnoitteet ¾ Kovat pinnoitteet ¾ Naarmuuntumattovat pinnoitteet Fysikaalis-kemialliset ominaisuudet ¾ Fotokatalyyttiset pinnoitteet ¾ Hydrofiiliset ja hydrofobiset pinnoitteet ¾ Korroosionsuojapinnoitteet ¾ Diffuusionestopinnoitteet ¾ Likaantumattomat pinnat, irroituspinnoitteet ¾ Antifouling-pinnoitteet ¾ Antigaffitti-pinnoitteet Optiset ominaisuudet ¾ Fluorisoivat pinnoitteet ¾ Heijastamattomat pinnoitteet ¾ Fotokromaatiset pinnoitteet ¾ Väriä tuottavat pinnoitteet Department of Materials Science Termiset ominaisuudet ¾ Palonestopinnoitteet ¾ Lämpösuojapinnoitteet ¾ IR-suojapinnoitteet Hygieniaominaisuudet ¾ Antimikrobiaaliset pinnoitteet Sähköiset ja magneettiset ominaisuudet ¾ Antisaattiset pinnoitteet ¾ Sähköä johtavat pinnoitteet ¾ Ferrosähköiset tai pietzosähköiset pinnoitteet ¾ Dielektriset pinnoitteet ¾ EMI (sähkömagneettiset suojapinnoitteet) ¾ Sähköaaltoja absorboivat pinnoitteet TAPIO MÄNTYLÄ: 8.4.2010 5 Näiden synnyttäminen ja hallinta edellyttää poikkitieteellistä osaamista pintakemiasta ja -fysiikasta, mikrobilogiasta, materiaaliopista jne. Ominaisuudet ja valmistaminen edellyttävät atomi- ja molekyylitason prosessien ymmärtämistä ja hallintaa --> NANOTEKNOLOGIAA Seuraavassa käydään läpi joitakin esimerkkejä puhdistettavuudesta tai puhtaana pysymisestä Department of Materials Science TAPIO MÄNTYLÄ: 8.4.2010 6 Esimerkkejä pinnoitteista ja pintakäsittelyistä puhtaana pysyvyyden parantamiseksi Käytännössä vain harvoin on mahdollista muuttaa ympäristöä pinnalle sopivaksi tai valita likaa, tällöin on luotava annetussa ympäristössä toimiva pinta Pinta on ihanteellinen puhtaanapysyvyyden kannalta, kun se on: - mahdollisimman tasainen - matalaenerginen - pinnan varaustila tunnetaan ja sitä pystytään hallitsemaan - pinta ei reagoi kemiallisesti ympäristönsä kanssa - pinta estää mikrobiologista kasvua/tarttumista - pinta kestää vaurioitumatta puhdistusta (kemiallinen puhdistus voi muuttaa pintaominaisuuksia) - pinta on kulutusta kestävä Department of Materials Science TAPIO MÄNTYLÄ: 8.4.2010 7 Esimerkkejä pinnoitteista ja pintakäsittelyistä puhtaana pysyvyyden parantamiseksi Pinnan kiillotus Atomi- ja molekyylitason pintakerrokset - LB-filmit, surfaktantit, siloksaanit, fluoraukset Fluoria sisältävät orgaaniset ja kovapinnoitteet Metallointi, anodisointi, konversiopinnoitteet Komposiittipinnoitteet Pintamorfologia/hydrofobisuus (Lotus-efekti) Pintaan integroidut puhdistusmekanismit (mekaaniset (esim. ultraääni), sähköiset, magneettiset ja kemialliset prosessit, fotokatalyysi) Department of Materials Science TAPIO MÄNTYLÄ: 8.4.2010 Lotus-pinta Department of Materials Science 8 TAPIO MÄNTYLÄ: 8.4.2010 Lotus-pinta Lotus-pinta 9 Puhdistusmekanismi Department of Materials Science Keinotekoinen (Biomimeettinen valmistus) Æ tietty pintaprofiili + superhydrofobisuus TAPIO MÄNTYLÄ: 8.4.2010 Esimerkkejä keinotekoisista Lotus-pinnoista Vettä hylkivän ja puhdistuvan pinnan edellytykset - tietty pintaprofiili - hydrofobisuus (superhydrofobisuus) ns. Biomimeettinen valmistus Termisesti ruiskutettu fluorimuovipinta, vedenkontaktikulma 140o Laser –strukturoitu TiO2-pinta Roikealueen pinnat Department of Materials Science Isotaktinen propyleenipinta Strukturoitu alumiinioksipinta ruostumattoman teräksen pinnalla, veden kostutuskulma 152o TAPIO MÄNTYLÄ: 8.4.2010 10 Θ > 150o Esimerkki superhydrofobisesta alumiinihydroksidipinnoitteesta ruostumattoman teräksen pinnalla (sooli-geeli) - paksuus 100-300 nm - läpinäkyvä - ns. Lotus-pinta - kulumiskestävyys? (DEMO) TTY/ Xiaoxue Zhang 2007 Department of Materials Science TAPIO MÄNTYLÄ: 8.4.2010 11 12 Pintastruktorointi eloksoimalla Pintojen funktionaalisten ominaisuuksien hallinta Pintojen strukturointi, hybridipinnat Huokoisuudeltaan säädelty alumiinioksidipinnoite (Epäorgaaninen Kemia/HY) Department of Materials Science TAPIO MÄNTYLÄ: 8.4.2010 13 Pintastrukturointi sooli-geelitekniikalla Pintojen funktionaalisten ominaisuuksien hallinta Pintojen strukturointi, hybridipinnat Huokoisuudeltaan säädeltyjä sooli-geelipinnoitteita (FYKE/ÅA) TiO2 Huokoset voidaan täyttää toisella aineella, esim. rakentaa hydrofiilinen/hydrofobinen hybridipinta Department of Materials Science TAPIO MÄNTYLÄ: 8.4.2010 14 Aktiiviset pintaprosessit - fotokatalyysi Titaanidioksidin fotokatalyysin hyödyntämismahdollisuudet Raulio & Salkinoja-Salonen Fujishima, et.al., 1999 Department of Materials Science TAPIO MÄNTYLÄ: 8.4.2010 15 Fotokatalyysin perusteet Puolijohteessa band-gapin energian ylittävän valokvantin vaikutuksesta tapahtuvat prosessit Anataasi Rekombinaatio bulkissa tai pinnalla Rutiili Valokvantin synnyttämä elektroni-aukko pari Eg = 3,0-3,2 eV Sopivan elektronidonorin (D) hapettuminen pinnalla elektroniaukon vaikutuksesta. Sopivan elektroni akseptorin (A) pelkistyminen Department of Materials Science TAPIO MÄNTYLÄ: 8.4.2010 16 TiO2 puolijohde Fotokatalyysin perusteet; Orgaanisten yhdisteiden hapettuminen Rutiili Anataasi hν≤ 388 nm UV-A Department of Materials Science TAPIO MÄNTYLÄ: 8.4.2010 Fotokatalyyttisen puhdistuksen tehokkuusrajoitukset 17 Auringosta tulevan UV- valon osuus vain noin 1% kokonaistehosta ja suurimmillaan n. 1 mW/cm2 O2 Normaalissa sisävalaistuksessa UV-valoa < 1 μW/cm2 •O2- Ti •OH k io id an ta H2O Soveltuu normaalisti suurille pinnoille, joissa likakeräymät kohtuullisia. in ip sid i no te Sisätiloissa yritetään käyttää näkyvän valon fotokatalyyttejä (esim. ZnO) Prosessiolosuhteissa ja muissa suojatuissa systeemeissä mahdollista käyttää tehokkaampia UV-lamppuja, LEDejä tai esim. sähköistä tehostusta (fotoelektrokatalyysiä) Department of Materials Science TAPIO MÄNTYLÄ: 8.4.2010 18 Fotokatalyysin hyödyntäminen funktionaalisilla pinnoilla Esimerkkejä: 1. Itsestään puhdistuvat pinnat Laajasti sovellettuja ja paljon 2. Veden puhdistus tutkittuja 3. Ilman puhdistus 4. Antibakteriaaliset pinnat 5. Huurtumattomat pinnat 6. Lämmönsiirtopinnat 7. Korroosionsuojaus 8. Ympäristöystävälliset pintakäsittelyt 9. Fotokatalyyttinen litografia 10. Fotokromismi 11. Mikromekaaniset systeemit Department of Materials Science TAPIO MÄNTYLÄ: 8.4.2010 Aktiiviset pintaprosessit - fotokatalyysi 19 Titaanidioksidin fotokatalyysin hyödyntämismahdollisuudet myös jäähdytys Department of Materials Science TAPIO MÄNTYLÄ: 8.4.2010 1. Itsestään puhdistuvat pinnat 20 Fotokatalyyttisesti aktiivisen TiO2:n kaksi eri vaikutusmekanismia pintojen puhdistamisessa Hapetus Superhydrofiilisyys Orgaanista likaa Likapartikkeli Öljypisara Vettä Vesipisara TiO2:n pinnalla ennen UV-valotusta CO2+ H2O Vesipisara TiO2:n pinnalla UV-valotuksen jälkeen (V.Pore, M.Ritala, M. Leskelä) TiO2 Department of Materials Science TiO2 TAPIO MÄNTYLÄ: 8.4.2010 21 Superhydrofiilisyyden hyödyntäminen peilipinnoilla Vuonna 2002 61%:ssa Toyota-autoista oli tällaiset peilit (Japanissa) TOTO Uusin kehitystyö tähtää ilmiön aikaansaamiseen ja säilyttämiseen sisätiloissa Department of Materials Science TAPIO MÄNTYLÄ: 8.4.2010 22 Biofilmit: D.geothermalis Elää paperikoneissa – muodostaa haitallista limaa (biosidit Æ ajaa bakteerit pinnoille ja siellä ne muodostaa suojakseen limakerroksen Ennen UV-altistusta UV-altistuksen jälkeen Mari Raulio & Mirja Salkinoja-Salonen/SKM/HY Department of Materials Science TAPIO MÄNTYLÄ: 8.4.2010 23 Fotokatalyyttinen jäähdytys - ohut vesikalvo, ∼ 0,1 mm - lasin lämpötilan lasku 15o, mustan kattotiilen 40-50o. - voidaan hyödyntää sadevettä - voidaan vähentää ilmastoinnin energiakulutusta kymmenestä muutamaan kymmeneen prosenttiin Department of Materials Science TAPIO MÄNTYLÄ: 8.4.2010 Hashimoto, et.al. TiO2:n fotokatalyysin hyödyntäminen ns. itsestään puhdistuvassa ikkunalasissa Pilkington Activ TiO2-pinnan itsestään puhdistava vaikutus perustuu sekä fotokatalyyttiseen efektiin että pinnan superhydrofiilisyyteen: fotokalyysi hajottaa orgaanisen lian ja vesi huuhtoo sen pois lasista Department of Materials Science TAPIO MÄNTYLÄ: 8.4.2010 24 25 Esimerkkejä fotokatalyyttisten pinnoitteiden soveltamisesta rakennusten julkisivuihin Department of Materials Science TAPIO MÄNTYLÄ: 8.4.2010 26 Itsepuhdistuvat tekstiiliset rakennuskatteet: esimerkkejä Taiyo Kogyo Co Department of Materials Science TAPIO MÄNTYLÄ: 8.4.2010 27 Department of Materials Science TAPIO MÄNTYLÄ: 8.4.2010 TiO2-pinnoitteiden valmistaminen nesteliekkiruiskuttamalla 28 Nestemäiset lähtöaineet: TEOT, TTIP, AgNO3 Happi-vety-liekki Mahdollisia nanokomposiittipartikkeleita AFL/TTY Department of Materials Science TAPIO MÄNTYLÄ: 8.4.2010 29 Meneillään olevia hankkeita Pintojen muokkauksella ja aktiivisilla pintaprosesseilla puhdas paperikone (PIMU), 2007-2009, Tutkimusosapuolet: TTY Materiaaliopin laitos, TKK Puunjalostuksen kemia ja HY Sovellettu kemia ja mikrobiologia TEKES, Metso Paper Oy, Kemira Chemicals Oy, KCL, Tamfelt Oy, Savcor Processes, Fastpap Oy, Millidyne Oy Innovatiiviset ratkaisut puhtauden varmistamiseksi juomateollisuudessa – CLEANSOLU, 2007-2009 Tutkimusosapuolet: VTT Biologia, TTY Materiaaliopin laitos Yritysryhmähanke: TEKES ja Yritykset, koordinaattori Panimolaboratorio Actifun Department of Materials Science TAPIO MÄNTYLÄ: 8.4.2010
© Copyright 2024