Properties of steel surfaces coated with organic molecules

Superhydrophobic state is one of the most interesting and attractive topic in this years due to the wide application possibilities. Roughness and surface tension are the main parameters to be controlled to obtain a surface with hydrophobic properties. The topic of this thesis is to investigate how substrate roughness and coating deposition parameters influence wettability properties. It was performed selecting two types of substrate with different roughness, applying different kinds of coatings (some of which have been synthesized in laboratory) optimizing the deposition procedure. As substrate has been chosen mild carbon steel, use both as received and after sandblasting treatment. Over these substrates a thin organic film coating has been applied. The employed coatings were purchased, carboxylic acids SAMs and butyl phosphonic acid SAM, or were synthesized and characterized in laboratory, dodecyl and octadecyl phosphonic acids SAMs and partially esterified polyacrylates. Their deposition procedure was made of three main steps: cleaning, etching and post thermal treatment. Etching time and the presence of the post thermal treatment has been widely surveyed: etching time role is to create active sites, on the substrate surface, available for the anchorage of organic molecules, while the thermal treatment stabilize bonds between film coating and substrate. For each kind of coating, three different alkyl chain length have been studied to understand their role in the wettability. The samples have been analyzed at optical contact angle to establish the wettability grade, at atomic force microscope to discover roughness and adhesion force on the film, at glow discharge optical emission spectroscope to survey thickness and chemical composition of the coating, at scanning electron microscope to see the surface morphology and at electrochemical impedance to investigate their electrical behaviour.

Questo lavoro di tesi verte sullo studio delle proprietà dei rivestimenti organici applicati a superfici metalliche, in particolar modo si indagherà come cambia la bagnabilità superficiale al variare di rugosità e tensione superficiale. Per quanto riguarda la rugosità si è deciso di selezionare due tipi di substrato costituiti entrambi dal medesimo acciaio al carbonio basso legato, con la differenza che uno è stato utilizzato tal quale, l’altro ha subito un processo di sabbiatura prima di depositare il rivestimento. La tensione superficiale è stata invece indagata depositando sul substrato differenti tipi di coatings, costituiti da film sottili di molecole organiche, alcune delle quali acquistate commercialmente, altre sintetizzate e caratterizzate in laboratorio. Tre gruppi di rivestimenti sono stati analizzati: acidi fosfonici, acidi carbossilici e acidi poliacrilici parzialmente esterificati con catene lineari alchiliche. Per ogni gruppo, sono stati selezionate tre molecole con lunghezza della catena alchilica a 4, 12 e 18 carboni. Ciò per poter osservare come cambia la bagnabilità a seconda della lunghezza della catena e l’adesione del film al substrato variando il gruppo chimico di ancoraggio, dato che attualmente la sfida più grande a livello di rivestimenti idrofobici riguarda la loro durabilità. Le molecole sintetizzate e caratterizzate sono due acidi fosfonici e i tre acidi poliacrilici. Questi ultimi, senza riferimenti di letteratura, hanno presentato diverse difficoltà di sintesi nel controllo del grado di esterificazione, molto importante ai fini dell’adesione della molecola al substrato e delle proprietà di bagnabilità. I campioni sono stati analizzati all’angolo di contatto per stabilire il grado di bagnabilità, all’AFM per indagare rugosità e forza di adesione del coating, GDOES per determinare spessore e composizione del rivestimento, SEM per visualizzarne la morfologia superficiale ed EIS per le proprietà elettrochimiche.