Surface wettability of AZ 31 Mg

In this thesis work, we focused our analysis on a wetting behaviour of AZ 31 surface, a biocompatible and biodegradable Mg alloy, treated by a single-step laser surface structuring based on remelting, subjecting it to a study of surface roughness, via Alicona Infinite focus, and surface chemistry via X-ray diffraction. We start our work from an overview of the theory behind the water contact angle; after an explanation of what is it, we show the common methods to measure it. After that, there is a rapid description of the most recent areal and volume roughness parameters extracted from the standard ISO 25178 part 2. These new parameters have a higher descriptive capacity than the simple profile roughness parameters, and their calculation has been made possible by the development of the new technology. There is also a chapter dedicated to the most recent measurement instruments, for both roughness and chemistry surface measurement. Following, through a bibliographic research, we have focus our attention on the new models proposed by the researchers to see the latest developments in this field. The next step was to apply the results obtained by the water contact angle measurement process on AZ 31 Mg surfaces, to the most recent classic Cassie-Baxter’s wettability model, which argues that the liquid is lifted from the surface through the bearing air trapped inside asperities. Because the application of these models was unsuccessful, we applied the bibliographic models. Nevertheless, also in this case, the results obtained have not satisfied the demands required. We have tried to introduce new roughness parameters into the literature models, trying to overcome the found problems but without an effective result. The last step of the analysis consists of a change of direction based on the application of an empirical procedure, the stepwise regression, which allowed us to create a good enough model to explain the wettability behavior of our surfaces.

L’attività di studio che abbiamo condotto, è focalizzata sull’analisi della bagnabilità di una superficie di AZ31, una lega di magnesio (Mg) biocompatibile e biodegradabile, trattata attraverso una lavorazione laser superficiale (texturizzazione) per rifusione superficiale eseguita per mezzo di una sorgente in fibra pulsata. I campioni ottenuti sono stati sottoposti ad uno studio incentrato sia sulla rugosità che sulla composizione chimica superficiale; per perseguire la prima analisi si è proceduto all’uso di un microscopio ottico a variazione di fuoco (Alicona Infinite Focus), mentre per la seconda è stata impiegata la diffrattometria a raggi X (XRD). La struttura dell’elaborato ha inizio con una panoramica dell’angolo di contatto di una goccia d’acqua su di una superficie; dopo una sintetica descrizione di cosa sia quest’ultimo, vengono enunciati e brevemente spiegati i metodi più comuni e attualmente disponibili per la sua misurazione. Successivamente, si è voluto dare una rapida descrizione dei parametri di rugosità più recenti, i così detti “parametri areali”, presentati all’interno dalla norma ISO 25178 parte 2. Questi nuovi parametri hanno in se il vantaggio di una maggiore capacità descrittiva della morfologia superficiale rispetto ai “semplici” parametri di profilo, e il loro sviluppo è stato reso possibile grazie all’evoluzione delle tecnologie di misura. Proprio per sottolineare l’importanza degli strumenti di misura, si è dedicato un capitolo atto ad enumerare ed illustrare il funzionamento dei principali strumenti disponibili oggigiorno sia nel campo della misura della rugosità che in quello del rilevamento della composizione chimica superficiale. Attraverso una ricerca bibliografica, abbiamo poi concentrare la nostra attenzione sui nuovi e più recenti modelli di bagnabilità proposti da vari autori per poter avere una visione e una presa di coscienza dello stato dell’arte attuale sull’argomento e ricavarne un modo per quantificare i parametri che caratterizzano i modelli classici, quali i modelli di Wenzel e Cassie-Baxter. Il passo successivo è stato proprio quello di applicare i risultati ottenuti dalla misurazione dell’angolo di contatto dell’acqua sull’AZ 31 Mg al più recente modello classico, quello di Cassie-Baxter il quale sostiene che una goccia di liquido su una superficie non bagna interamente quest’ultima, ma si adagia solo sui picchi delle rugosità superficiali, lasciando intrappolata dell’aria tra di essi. Poiché l’applicazione di questo modello classico non ha avuto i risultati sperati, abbiamo applicato i modelli frutto della ricerca bibliografia. Tuttavia, anche in questo caso, i risultati ottenuti non hanno soddisfatto le esigenze richieste. Abbiamo tentato di introdurre nuovi parametri di rugosità in grado di dare una quantificazione differente dei fattori caratterizzanti i modelli della letteratura ma l’esito finale non ha dato i frutti sperati. Pertanto, abbiamo deciso di optare per un approccio radicalmente differente, tralasciando i fattori fisici sottostanti il fenomeno della bagnabilità, e ci siamo dedicati ad un’analisi meramente empirica al termine della quale siamo giunti alla realizzazione di un modello che sembra soddisfare i requisiti delle nostre superfici di AZ 31 Mg testurizzate via laser.