Funktionaaliset nanopinnoitteet koneenrakennuksessa

Transkriptio

1 1 Funktionaaliset nanopinnoitteet koneenrakennuksessa Prof. Tapio Mäntylä TTY Materiaaliopin laitos Keraamimateriaalien laboratorio Nanopinnoitteita koneenrakentajille

2 Yleisimpien nanotuotteiden sekä niillä aikaansaatujen ominaisuuksien ja toiminnallisuuksien välinen riippuvuus 2 M.F. Ashby et.al. 2009

3 Smart materials 3 Erilaisilla ärsykkeillä aikaansaadut yleisimmät ominaisuuksien muutokset M.F. Ashby et.al, 2009

4 4 Funktionaaliset pinnoitteet Kulumiskestävät pinnoitteet Kovat pinnoitteet Naarmuuntumattovat pinnoitteet Fysikaalis-kemialliset ominaisuudet Fotokatalyyttiset pinnoitteet Hydrofiiliset ja hydrofobiset pinnoitteet Korroosionsuojapinnoitteet Diffuusionestopinnoitteet Likaantumattomat pinnat, irroituspinnoitteet Antifouling-pinnoitteet Antigaffitti-pinnoitteet Optiset ominaisuudet Fluorisoivat pinnoitteet Heijastamattomat pinnoitteet Fotokromaatiset pinnoitteet Väriä tuottavat pinnoitteet Termiset ominaisuudet Palonestopinnoitteet Lämpösuojapinnoitteet IR-suojapinnoitteet Hygieniaominaisuudet Antimikrobiaaliset pinnoitteet Sähköiset ja magneettiset ominaisuudet Antisaattiset pinnoitteet Sähköä johtavat pinnoitteet Ferrosähköiset tai pietzosähköiset pinnoitteet Dielektriset pinnoitteet EMI (sähkömagneettiset suojapinnoitteet) Sähköaaltoja absorboivat pinnoitteet

5 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

6 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

7 Esimerkkejä pinnoitteista ja pintakäsittelyistä puhtaana pysyvyyden parantamiseksi 7 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)

8 Lotus-pinta 8

9 Lotus-pinta Lotus-pinta Puhdistusmekanismi 9 Keinotekoinen (Biomimeettinen valmistus) tietty pintaprofiili + superhydrofobisuus

10 Esimerkkejä keinotekoisista Lotus-pinnoista 10 Vettä hylkivän ja puhdistuvan pinnan edellytykset - tietty pintaprofiili - hydrofobisuus (superhydrofobisuus) ns. Biomimeettinen valmistus Isotaktinen propyleenipinta Laser strukturoitu TiO 2 -pinta Roikealueen pinnat Termisesti ruiskutettu fluorimuovipinta, vedenkontaktikulma 140 o Strukturoitu alumiinioksipinta ruostumattoman teräksen pinnalla, veden kostutuskulma 152 o

11 Esimerkki superhydrofobisesta alumiinihydroksidipinnoitteesta ruostumattoman teräksen pinnalla (sooli-geeli) Θ > 150 o 11 - paksuus nm - läpinäkyvä - ns. Lotus-pinta - kulumiskestävyys? (DEMO) TTY/ Xiaoxue Zhang 2007

12 12 Pintastruktorointi eloksoimalla Pintojen funktionaalisten ominaisuuksien hallinta Pintojen strukturointi, hybridipinnat Huokoisuudeltaan säädelty alumiinioksidipinnoite (Epäorgaaninen Kemia/HY)

13 Pintastrukturointi sooli-geelitekniikalla 13 Pintojen funktionaalisten ominaisuuksien hallinta Pintojen strukturointi, hybridipinnat Huokoisuudeltaan säädeltyjä sooli-geelipinnoitteita (FYKE/ÅA) TiO 2 Huokoset voidaan täyttää toisella aineella, esim. rakentaa hydrofiilinen/hydrofobinen hybridipinta

14 14 Aktiiviset pintaprosessit - fotokatalyysi Titaanidioksidin fotokatalyysin hyödyntämismahdollisuudet Raulio & Salkinoja-Salonen Fujishima, et.al., 1999

15 Fotokatalyysin perusteet 15 Puolijohteessa band-gapin energian ylittävän valokvantin vaikutuksesta tapahtuvat prosessit Rekombinaatio bulkissa tai pinnalla Anataasi Rutiili Valokvantin synnyttämä elektroni-aukko pari Sopivan elektroni akseptorin (A) pelkistyminen E g = 3,0-3,2 ev Sopivan elektronidonorin (D) hapettuminen pinnalla elektroniaukon vaikutuksesta.

16 TiO 2 puolijohde Fotokatalyysin perusteet; Orgaanisten yhdisteiden hapettuminen 16 Rutiili Anataasi hν 388 nm UV-A

17 Fotokatalyyttisen puhdistuksen tehokkuusrajoitukset 17 O 2 Auringosta tulevan UV- valon osuus vain noin 1% kokonaistehosta ja suurimmillaan n. 1 mw/cm 2 O 2 - Normaalissa sisävalaistuksessa UV-valoa < 1 μw/cm 2 Titaanidioksidipinnoite OH H 2 O Soveltuu normaalisti suurille pinnoille, joissa likakeräymät kohtuullisia. Sisätiloissa yritetään käyttää näkyvän valon fotokatalyyttejä (esim. ZnO) Prosessiolosuhteissa ja muissa suojatuissa systeemeissä mahdollista käyttää tehokkaampia UV-lamppuja, LEDejä tai esim. sähköistä tehostusta (fotoelektrokatalyysiä)

18 Fotokatalyysin hyödyntäminen funktionaalisilla pinnoilla 18 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

19 Aktiiviset pintaprosessit - fotokatalyysi 19 Titaanidioksidin fotokatalyysin hyödyntämismahdollisuudet myös jäähdytys

20 1. Itsestään puhdistuvat pinnat Fotokatalyyttisesti aktiivisen TiO 2 :n kaksi eri vaikutusmekanismia pintojen puhdistamisessa 20 Hapetus Superhydrofiilisyys Orgaanista likaa Öljypisara Likapartikkeli Vettä Vesipisara TiO 2 :n pinnalla ennen UV-valotusta CO 2 + H 2 O Vesipisara TiO 2 :n pinnalla UV-valotuksen jälkeen (V.Pore, M.Ritala, M. Leskelä) TiO 2 TiO 2

21 Superhydrofiilisyyden hyödyntäminen peilipinnoilla 21 Vuonna %:ssa Toyota-autoista oli tällaiset peilit (Japanissa) TOTO Uusin kehitystyö tähtää ilmiön aikaansaamiseen ja säilyttämiseen sisätiloissa

22 Biofilmit: D.geothermalis 22 Elää paperikoneissa muodostaa haitallista limaa (biosidit ajaa bakteerit pinnoille ja siellä ne muodostaa suojakseen limakerroksen Ennen UV-altistusta UV-altistuksen jälkeen Mari Raulio & Mirja Salkinoja-Salonen/SKM/HY

23 23 Fotokatalyyttinen jäähdytys - ohut vesikalvo, 0,1 mm - lasin lämpötilan lasku 15 o, mustan kattotiilen o. - voidaan hyödyntää sadevettä - voidaan vähentää ilmastoinnin energiakulutusta kymmenestä muutamaan kymmeneen prosenttiin Hashimoto, et.al.

24 TiO 2 :n fotokatalyysin hyödyntäminen ns. itsestään puhdistuvassa ikkunalasissa 24 Pilkington Activ TiO 2 -pinnan itsestään puhdistava vaikutus perustuu sekä fotokatalyyttiseen efektiin että pinnan superhydrofiilisyyteen: fotokalyysi hajottaa orgaanisen lian ja vesi huuhtoo sen pois lasista

25 25 Esimerkkejä fotokatalyyttisten pinnoitteiden soveltamisesta rakennusten julkisivuihin

26 26 Itsepuhdistuvat tekstiiliset rakennuskatteet: esimerkkejä Taiyo Kogyo Co

27 27

28 TiO 2 -pinnoitteiden valmistaminen nesteliekkiruiskuttamalla 28 Nestemäiset lähtöaineet: TEOT, TTIP, AgNO 3 Happi-vety-liekki Mahdollisia nanokomposiittipartikkeleita AFL/TTY

29 29 Meneillään olevia hankkeita Pintojen muokkauksella ja aktiivisilla pintaprosesseilla puhdas paperikone (PIMU), , 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, Tutkimusosapuolet: VTT Biologia, TTY Materiaaliopin laitos Yritysryhmähanke: TEKES ja Yritykset, koordinaattori Panimolaboratorio Actifun