Synthesis of a porcupine fish inspired superhydrophobic surface and study on the combination with a biomimetic underwater adhesive

Nature has always fascinated humanity and with its incredible and complex beauty has inspired the work of many engineers and researchers. This master thesis focuses its attention on nature-inspired superhydrophobicity and underwater adhesion. For the first time two different biomimetic systems are combined in order to use a property to increase the effect of the other one. To be clearer, superhydrophobicity means superaerophilicity. Therefore, a superhydrophobic surface underwater creates a thin air layer. At the same time, the adhesion of underwater adhesives in a wet environment is possible, but weaker than in dry environment. Our aim is to successfully deposit a superhydrophobic solution on an adhesive layer and study if the air layer that is created can protect the adhesive from water contact. In this way the adhesion strength underwater should be closer to the strength registered in dry environment. It is our interest to study if this can happen and how much the deposition of superhydrophobic particles affects the adhesive properties. A superhydrophobic surface inspired from the skin of porcupine fish is synthetized using ZnO tetrapod particles and low surface tension materials: PDMS and FO-POSS. It is deposited using spray and dip coating and analysed with contact angle equipment and laser microscope. The solution that showed highest superhydrophobicity has been combined with a mussel-inspired adhesive, constituted by a copolymer based on DOMA monomer and alkyl methacrylate. This combination has been investigated using three different methods: deposition of the solution on specific areas with the help of a 3D pattern; functionalization of ZnO particles with the adhesive and combination with the superhydrophobic ones; spray coating on a thin adhesive layer, on aluminium substrate. Contact angle measurement has been performed to understand if superhydrophobicity was kept; laser microscope analysis has been carried out for roughness measurement and single lap-shear test to evaluate the adhesion strength in air and water. The samples on aluminium substrates were analysed performing SEM and EDS spectroscopy.

La natura ha sempre affascinato l’uomo; con la sua incredibile e complessa bellezza ha ispirato il lavoro di numerosi ingegneri e scienziati. Questa tesi di laurea si concentra sullo studio di superidrofobicità e adesione in ambiente acquatico, proprietà riscontrabili anche in natura. Per la prima volta sono state combinate per ottenere il maggior beneficio da entrambe. Nello specifico, una superficie superidrofobica sott’acqua crea un sottile film di aria, poiché superidrofobicità coincide con superaerofilicità. Allo stesso tempo, quando l’adesione in acqua è possibile, è comunque più debole se confrontata con un utilizzo all’aria. Lo scopo di questa ricerca è depositare con successo una soluzione superidrofobica su un film adesivo e studiare se esiste la possibilità che il sottile strato d’aria che si forma possa proteggere e prevenire il contatto tra acqua e adesivo. In tal maniera, la resistenza adesiva dovrebbe essere più vicina ai valori riscontrati in ambiente secco. È interessante studiare se questo possa essere effettivamente realizzabile e quanto la deposizione delle particelle superidrofobiche condizioni la forza adesiva. La superficie è stata sintetizzata ispirandosi alla struttura dell’epidermide del pesce istrice usando particelle tetraedriche di ZnO e materiali a bassa tensione superficiale: PDMS e FO-POSS. La deposizione è stata effettuata tramite spray e immersione; le proprietà della superficie sono state investigate tramite angolo di contatto e microscopio laser. La soluzione che ha mostrato la migliore superidrofobicità è stata combinata con un co-polimero adesivo costituito dai monomeri DOMA e alchile-metacrilato, ispirato al meccanismo di adesione dei mitili in acqua marina. Questa combinazione è stata studiata utilizzando tre diversi metodi: deposizione spray della soluzione in specifiche aree tramite un pattern stampato in 3D; funzionalizzazione delle particelle di ZnO con il materiale adesivo e combinazione con quelle superidrofobiche; deposizione spray della superficie superidrofobica su un sottile strato di adesivo, su provino in alluminio. Le misure effettuate includono angolo di contatto e rugosità superficiale per valutare il grado di superidrofobicità. Prove di single-lap shear test sono state eseguite per valutare la forza adesiva in aria e acqua. SEM e spettroscopia EDS sono state effettuate per i campioni su provino di alluminio per analizzare la distribuzione superficiale di particelle e adesivo.