Statistical Analysis of Paint Ingredients' Effect on Hydrophobicity and Surface Roughness - Using the Power Spectral Density Function to Quantify Roughness

Abstract

Siden globale temperaturer øker grunnet drivhusgassutslipp og drivstoffpriser fortsetter å heves, er skipsindustrien på jakt etter en måte å minske drivstofforbruket. En forslått løsning er luftsmøringssystemer som pumper ut luft under skroget på skip og lager en luft- og vannblanding for å minske friksjonsmotstanden til skipet når den beveger seg i vann. Denne reduksjonen i friksjonsmotstand vil redusere drivstofforbruket betydelig. For å optimalisere denne effekten trengs det et belegg på skroget som tiltrekker seg luft og avstøter vann. Overflater med en slik karakteristikk kalles hydrofobiske eller superhydrofobiske hvis overflaten har en høy grad av vannavstøting. Omfattende litteratur finnes om hvordan man kan designe superhydrofobiske overflater i en liten skala, men ikke på en industriell skala. Derfor er målet med denne avhandlingen å utforske effekten av ulike malingsingredienser på hydrofobisiteten og overflateruheten som er essensiell for å lage superhydrofobiske overflater.

Regresjonsanalyser var utført ved å bruke malingsingredienser som prediktorer og målte vannkontaktvinkler og ruhetsverdier som responsvariabel. Topografiske målinger av prøver ble utført for å regne ut ruhetsvariablene root mean square (RMS) roughness, slope og curvature ved bruk av power spectral density function (PSD). En undersøkelse av de forskjellige ruhetsverdienes effekt på vannkontakvinkelen var utført. På grunn av en mangel på korrelasjon ble RMS roughness ikke brukt videre i analysen, mest sannsynlig fordi den var dominert av for store bølgelengder. RMS slope korrelerte for mye med RMS curvature samtidig som den viste mer varians. På grunn av dette ble RMS curvature brukt som ruhetsverdien som skulle representere overflateruheten og ble brukt for videre korrelasjoner.

Malingsingrediensene som viste mest potensiale i regresjonsanalysen var Silikopon EF bindemiddelet, et superhydrofobisk additiv og superhydrofobisk funksjonalisert diatoméjord (FDE) ved høye vektprosenter. Videre undersøkelse ved bruk av spredningsplott med rette linjer som passet punktene viste at for prøver med høy vektprosent av FDE minket avhengigheten av bindemiddel og additiv for å få høye vannkontaktvinkler. Den viktigste faktoren for å øke hydrofobisiteten var altså en høy vektprosent av FDE og bindemiddel eller om det superhydrofobiske additivet var tilsatt var mindre viktig.

En teori om fukting ble foreslått da spredningsplottene fremhevet uventet oppførsel angående høye vannkontakvinkler med lave RMS curvature-verdier, som ikke følger litteraturen. Teorien om fukting beskriver tre ulike grader av fukting: ikke-fukting, fukting av et tynt lag bindemiddel og fukting av et tykt lag bindemiddel. Graden av fukting ble antatt å påvirke hvordan partiklene definerer ruheten til overflaten og effekten av partikkelens hydrofobisitet. Videre arbeider kan inkludere en kombinasjon av et hydrofobisk bindemiddel og hydrofile partikler og omvendt for å oppfordre til ikke-fukting og eksponerte hydrofobiske eller superhydrofobiske partikler på overflaten. Mikroskopiske metoder med høyere oppløsning trengs for å differensiere mellom mikroruhet og nanoruhet og for å utforske videre den foreslåtte teorien om fukting.

As temperatures are rising globally due to greenhouse gas emissions and fuel prices continue to increase, the shipping industry is searching for solutions to decrease fuel expenditure. One solution proposed is the air-lubrication system, pumping air underneath the hull and creating a layer of air/water mixture decreasing the skin friction drag of the ship as it moves through water. This reduction in skin friction drag results in a significant decrease in fuel consumption. In order to optimise this effect, a coating solution which attracts air and repels water is proposed. Surfaces with this characteristic are called hydrophobic or superhydrophobic for highly water repellent surfaces. Extensive literature exists on how to design superhydrophobic surfaces on small scales, but not on an industrial scale. Therefore, the goal of this thesis is to explore the effect of different paint ingredients on hydrophobicity and surface roughness which is essential to create superhydrophobic surfaces.

Regression analyses were performed using paint ingredients as predictors and measured water contact angles (WCA) and roughness values as responses. Topography measurements were performed in order to calculate roughness values root mean square (RMS) roughness, slope and curvature using the power spectral density function (PSD). An examination of the different roughness values’ effect on the WCA was conducted. Due to a lack of correlation, RMS roughness was not used further in the analysis, most likely as the RMS roughness was dominated by too large wavelengths. The RMS slope correlated too much with RMS curvature while displaying higher degrees of variance. RMS curvature was therefore chosen as the roughness value to represent surface roughness and used for further correlation.

The paint ingredients which showed the most promising results in the regression analysis were the Silikopon EF binder, a superhydrophobic additive and superhydrophobic functionalised diatomaceous earth (FDE) at high weight percentages. Further examination of results by fitted line plots showed that for high weight percentages of functionalised diatomaceous earth (FDE), the dependency on binder and additive in order to increase WCA’s diminished. The most important factor to achieve high levels of WCA’s was therefore high weight percentages of FDE, and the binder or the presence of the superhydrophobic binder was less important.

A wetting theory was proposed as fitted line plots highlighted some unexpected behaviour concerning high WCA’s at low RMS curvature values which were not in alignment with state of the art theory. The wetting theory described three different levels of wetting: nonwetting, wetting by a thin layer of binder and wetting by a thick layer of binder. The level of wetting was assumed to affect how the particles define the roughness of the surface and the effect of the particles’ hydrophobicity. Further work could include combining a hydrophilic binder with a hydrophobic particle or vice versa in order to encourage non-wetting and exposed hydrophobic or superhydrophobic particles at the surface. Microscopy methods with higher resolutions are needed in order to differentiate between microroughness and nanoroughness and to further investigate the proposed wetting theory.