Sintesi e deposizione di rivestimenti per il controllo della bagnabilità

Rivestimenti ceramici e ibridi nanostrutturati con proprietà di autopulenza

Responsabili: Mariarosa Raimondo, Alessandro Corozzi

Personale coinvolto: Guia Guarini, Maria Caruso, Andrea Ruffini, Massimiliano Dapporto

L’attività di ricerca è mirata alla progettazione, alla sintesi ed alla deposizione di rivestimenti ceramici o ibridi (ceramici + organici) per il controllo delle proprietà di bagnabilità delle superfici.

Per ottenere tali caratteristiche, è necessaria la modulazione della morfologia del rivestimento, introducendo una struttura superficiale su scala nano- e micro-metrica. Da questa dipende anche la durabilità delle proprietà del rivestimento nel tempo e la loro resistenza in condizioni difficili quali alta pressione.

Inoltre, la composizione chimica superficiale del rivestimento può essere modificata per ottenere la bagnabilità desiderata. I rivestimenti possono mostrare diverse proprietà di bagnabilità:
• Superidrofilicità (angolo di contatto con acqua < 5°)
• Superidrofobicità (angolo di contatto con acqua > 150°) con bassa adesione delle gocce d’acqua (isteresi di angolo di contatto < 10°)
• Oleofobicità (angoli di contatto con liquidi a bassa tensione superficiale > 90°)
• Anfifobicità, ossia compresenza di superidrofobicità ed oleofobicità

Da tali proprietà discende la capacità di autopulenza che queste superfici mostrano, impedendo l’accumulo di sporco e facilitandone la rimozione. Il meccanismo di autopulenza dipende dalla bagnabilità della superficie (es. formazione di un film di acqua sulla superficie superidrofilica, rimozione dello sporco ad opera delle gocce in moto sulla superficie superidrofobica).

Strumenti e Processi
I rivestimenti sono prodotti tramite sintesi sol-gel di nanoparticelle di ossidi ceramici (allumina, silice, titania ed altri) e depositati con processi quali immersione, stampaggio a rulli e spruzzatura automatizzata. Il processo prevede passaggi che consentono la formazione di un rivestimento nanostrutturato con proprietà di bagnabilità diverse rispetto a quelle del materiale non rivestito. Lo spessore del film oscilla tra le centinaia di nanometri e i micrometri, a seconda dei parametri di processo adottati.

Il processo di fabbricazione del rivestimento va progettato in base alle caratteristiche del materiale da rivestire, ad esempio considerandone la sensibilità ad ambienti acidi e corrosivi o la resistenza alle alte temperature. Tra i materiali trattati durante l’attività di ricerca:
• Metalli quali alluminio e rame
• Leghe come acciaio e ottone
• Vetri di varia natura (sodici, boro-silicati, vetri ceramici)
• Ceramici (gres, porcellane) con diverse finiture superficiali (laccato e non)
• Fibre naturali (cotone)
• Film polimerici (polistirene)

Principali collaborazioni
• Università degli Studi di Roma “La Sapienza” (Prof. Robertino Zanoni)
• Università degli Studi di Pavia (Prof. Vittorio Berbenni)
• Politecnico di Milano (Prof. Andrea Ratti) e Politecnico di Torino (Dott.ssa Sara Ferraris)
• Università degli Studi di Ferrara (Prof. Gian Luca Garagnani) ed Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia (Prof. Sergio Valeri)

Progetti
• RIMMEL

Pubblicazioni e brevetti
• F. Veronesi , G. Boveri, M. Raimondo, Amphiphobic nanostructured coatings for industrial applications, Materials, 12, 787 (2019), DOI: 10.3390/ma12050787
• M. Raimondo, F. Veronesi, G. Boveri, G. Guarini, A. Motta, R. Zanoni, Superhydrophobic properties induced by sol-gel routes on copper surfaces, Applied Surface Science, 422, 1022–1029 (2017), DOI: 10.1016/j.apsusc.2017.05.257
• I. Malavasi, F. Veronesi, A. Caldarelli, M. Zani, M. Raimondo, M. Marengo, Is a knowledge of surface topology and contact angles enough to define the drop impact outcome?, Langmuir 32, 6255 − 6262 (2016), DOI: 10.1021/acs.langmuir.6b01117
• A. Motta, O. Cannelli, A. Boccia, R. Zanoni, M. Raimondo, A. Caldarelli, F. Veronesi, A mechanistic explanation of the peculiar amphiphobic properties of hybrid organic−inorganic coatings by combining XPS characterization and DFT modeling, ACS Applied Materials and Interfaces, 7, 19941 – 19947 (2015), DOI: 10.1021/acsami.5b04376
• A. Caldarelli, M. Raimondo, F. Veronesi, G. Boveri, G. Guarini, Sol–gel route for the building up of superhydrophobic nanostructured hybrid-coatings on copper surfaces, Surface & Coatings Technology 276, 408 – 415 (2015), DOI: 10.1016/j.surfcoat.2015.06.037
• M. Raimondo, M. Blosi, A. Caldarelli, G. Guarini, F. Veronesi, Wetting behavior and remarkable durability of amphiphobic aluminum alloys surfaces in a wide range of environmental conditions, Chemical Engineering Journal 258, 101 – 109 (2014), DOI: 10.1016/j.cej.2014.07.076
• Method for the treatment of metal surfaces for bestowing thereon a high hydrophobicity and oleophobicity, WO 2013/190587
• Method for the treatment of ceramic surfaces for bestowing thereon a high hydrophobicity and oleophobicity, WO 2012/117386