Non-stick surfaces for applications requiring long-term contact with fluids

Abstract

The aim of this doctoral thesis is to design and develop polymeric surfaces that repel liquids of different nature even in conditions of total and prolonged contact with the fluid, as well as to understand the structural parameters that determine non-stick properties. The objective is to develop a method to generate these surfaces that is easy, fast and scalable at an industrial level. In this doctoral thesis, the obtaining of superhydrophobic, omniphobic and slippery surfaces is explored, using Nature as a source of inspiration for their design.The non-adherence associated with polymeric surfaces is a useful feature to meet technological challenges in many sectors, since it can provide properties such as self-cleaning or low friction, prevent corrosion or surface degradation, ice accumulation, the proliferation of bacteria and biofouling in general. The development of non-stick properties on a surface implies the generation of roughness on a micrometric scale and the use of low surface tension materials. Polymers are presented in this doctoral thesis as materials whose characteristics are favorable for developing roughness generation methodologies in a sustainable, versatile and scalable way. A top-down roughness generation method was developed in two steps: swelling-coagulation, which consists of immersing the polymeric film in a solvent that swells the polymer and subsequent immersion in a coagulant that freeze the swollen state. It is an easy, fast and scalable method with which the inherent roughness of the material was obtained. With the roughness generation method, polymeric surfaces structured at the microscale and hierarchical at the micro and nanoscale were obtained, with properties ranging from hydrophobicity to superhydrophobicity...El objetivo principal de esta tesis doctoral es diseñar y desarrollar superficies poliméricas que repelan líquidos de diferente naturaleza incluso en condiciones de contacto total y prolongado con el fluido, así como comprender los parámetros estructurales que determinan la antiadherencia superficial. Se persigue idear un método para generar estas superficies que sea fácil, rápido y escalable a nivel industrial. En esta tesis doctoral se explora la obtención de superficies superhidrófobas, omnífobas y superdeslizantes, recurriendo a la Naturaleza como fuente de inspiración para su diseño. La antiadherencia asociada a superficies es una característica útil para afrontar retos tecnológicos en multitud de sectores, ya que puede proporcionar propiedades tales como la autolimpieza o la baja fricción, evitar la corrosión o degradación superficial, la acumulación de hielo, la proliferación de bacterias y el bioensuciamiento en general. El desarrollo de propiedades antiadherentes en una superficie implica la generación de rugosidad en escala micrométrica y la utilización de materiales de baja tensión superficial. Los polímeros se presentan en esta tesis doctoral como materiales cuyas características son favorables para desarrollar metodologías de generación de rugosidad de forma sostenible, versátil y escalable. Se desarrolló un método de generación de rugosidad top-down en dos pasos: Hinchamiento-Coagulación, que consiste en la inmersión de la película polimérica en un disolvente que hincha el polímero y la consiguiente inmersión en un coagulante que congela el estado hinchado. Se trata de un método fácil, rápido y escalable con el que se obtuvo rugosidad inherente al material. Con el método de generación de rugosidad se obtuvieron superficies poliméricas estructuradas en la microescala y jerarquizadas en la micro y la nanoescala con propiedades que fueron desde la hidrofobia hasta la superhidrofobia...