BR112020006656B1 - METHOD OF APPLICATION OF A HYDROPHOBIC COATING TO A SURFACE OF A METALLIC SUBSTRATE - Google Patents

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Abstract

A presente invenção refere-se a um revestimento hidrofóbico e um método para a aplicação de tal revestimento a uma superfície de um substrato metálico. O método pode incluir a anodização de uma camada nanoporosa de óxido de metal anódico na superfície; a catodização de nanopartículas de óxido de ítrio sobre a superfície; a aplicação de uma composição de revestimento de cerâmica hidrofóbica à superfície por um método de aplicação selecionado do grupo que consiste em: escoamento, imersão e aspersão; e o aquecimento a superfície da revestida a uma temperatura de cura de cerca de 150°C a cerca de 300°C por pelo menos 2 horas.The present invention relates to a hydrophobic coating and a method for applying such a coating to a surface of a metallic substrate. The method may include anodizing a nanoporous layer of anodic metal oxide on the surface; the cathodization of yttrium oxide nanoparticles on the surface; applying a hydrophobic ceramic coating composition to the surface by an application method selected from the group consisting of: pouring, dipping and spraying; and heating the coated surface to a curing temperature of about 150°C to about 300°C for at least 2 hours.

Description

CAMPO DA INVENÇÃOFIELD OF THE INVENTION

[0001] A presente invenção refere-se de maneira geral a revestimentos hidrofóbicos e, mais particularmente, a revestimentos hidrofóbicos que compreendem óxidos anódicos e de terras raras, e a métodos de aplicação de tal revestimento a uma superfície de um substrato metálico.[0001] The present invention relates generally to hydrophobic coatings, and more particularly to hydrophobic coatings comprising anodic and rare earth oxides, and methods of applying such a coating to a surface of a metallic substrate.

ANTECEDENTESBACKGROUND

[0002] O controle das propriedades de umidificação das superficies tem sido objeto de investigação científica. A maior parte das superfícies hidrofóbicas existentes é baseada em polímeros de superfície de baixa energia, tais como o fluoroalquilsilano, ou aspereza padronizada em escalas de baixo comprimento. Ambas as estratégias têm inconvenientes significativos. Por exemplo, os polímeros fluorados não possuem resistência à abrasão e são degradados facilmente pela luz ultravioleta. Similarmente, os revestimentos de elevada aspereza são frequentemente frágeis e são pouco adequados para ambientes ásperos. Além disso, esses revestimentos são frequentemente baseados em técnicas de manufatura complexas que não são facilmente escaláveis.[0002] The control of the humidification properties of surfaces has been the object of scientific investigation. Most existing hydrophobic surfaces are based on low energy surface polymers, such as fluoroalkylsilane, or patterned roughness on low length scales. Both strategies have significant drawbacks. For example, fluorinated polymers lack abrasion resistance and are easily degraded by ultraviolet light. Similarly, high roughness coatings are often brittle and are poorly suited to harsh environments. Furthermore, these coatings are often based on complex manufacturing techniques that are not easily scalable.

[0003] As aplicações aeronáuticas, automotivas e outras aplicações de transparência impõem desafios adicionais. Para essas aplicações, um revestimento hidrofóbico deve manter dureza e resistência elevadas ao ataque por ácidos e bases. Além disso, essas aplicações podem envolver substratos metálicos, com coeficientes de expansão térmica e módulos elásticos que são incompatíveis com muitos revestimentos hidrofóbicos existentes.[0003] Aeronautical, automotive and other transparency applications pose additional challenges. For these applications, a hydrophobic coating must maintain high hardness and resistance to attack by acids and bases. Furthermore, these applications may involve metallic substrates, with coefficients of thermal expansion and elastic modulus that are incompatible with many existing hydrophobic coatings.

[0004] Deve ser apreciado que há uma necessidade quanto a um método escalável de aplicação de um revestimento hidrofóbico incrementado que tenha uma capacidade hidrofóbica ambientalmente robusta. O revestimento deve ser robusto à degradação ambiental, à abrasão mecânica e à tensão repetida, enquanto exibe uma energia de superfície inerentemente baixa sem padronização de superfície adicional. Para as aplicações que envolvem substratos metálicos, o revestimento deve manter a dureza e a resistência ao ataque por ácidos e bases, enquanto também mantém uma ligação permanente à superfície metálica quando a superfície se expande e contrai termicamente. A presente invenção satisfaz estas necessidades e fornece outras vantagens relacionadas.[0004] It should be appreciated that there is a need for a scalable method of applying an enhanced hydrophobic coating that has an environmentally robust hydrophobic capability. The coating must be robust to environmental degradation, mechanical abrasion and repeated stress, while exhibiting inherently low surface energy without additional surface patterning. For applications involving metallic substrates, the coating must maintain hardness and resistance to acid and alkali attack, while also maintaining a permanent bond to the metallic surface as the surface thermally expands and contracts. The present invention satisfies these needs and provides other related advantages.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃOBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION

[0005] A presente invenção é agregada em um método de aplicação de um revestimento hidrofóbico a uma superfície de um substrato metálico, assim como no revestimento hidrofóbico formado pelo método. Em uma modalidade, o método inclui a anodização de uma camada nanoporosa de óxido de metal anódico na superfície; a aplicação de uma composição de revestimento de cerâmica hidrofóbica à superfície, após a anodização da superfície, por um método da aplicação selecionado do grupo que consiste em: escoamento, imersão e aspersão; e o aquecimento da superfície revestida a uma temperatura de cura de cerca de 150°C a cerca de 300°C por pelo menos 2 horas. Em uma outra modalidade, o método também inclui a etapa de catodização de nanopartículas de óxido de ítrio antes da aplicação da composição de revestimento de cerâmica hidrofóbica à superfície. Cada característica ou conceito é independente, mas podem ser combinados com qualquer outra característica de conceito descrita neste pedido de patente.[0005] The present invention is aggregated in a method of applying a hydrophobic coating to a surface of a metallic substrate, as well as in the hydrophobic coating formed by the method. In one embodiment, the method includes anodizing a nanoporous layer of anodic metal oxide on the surface; applying a hydrophobic ceramic coating composition to the surface, after anodizing the surface, by an application method selected from the group consisting of: pouring, dipping and spraying; and heating the coated surface to a curing temperature of from about 150°C to about 300°C for at least 2 hours. In another embodiment, the method also includes the step of catodizing yttrium oxide nanoparticles prior to applying the hydrophobic ceramic coating composition to the surface. Each feature or concept is independent but may be combined with any other feature or concept described in this patent application.

[0006] Em uma modalidade, o método inclui a anodização de uma camada nanoporosa de óxido de metal anódico na superfície, e a catodização de nanopartículas de óxido de ítrio sobre a superfície após a anodização da superfície. Em uma outra modalidade, o método também inclui as etapas de aplicação de uma composição de revestimento de cerâmica hidrofóbica à superfície, após a catodização da superfície, por um método de aplicação selecionado do grupo que consiste em: escoamento, imersão e aspersão; e o aquecimento da superfície revestida a uma temperatura de cura de cerca de 150°C a cerca de 300°C por pelo menos 2 horas. Cada característica ou conceito é independente, mas podem ser combinados com qualquer outra característica de conceito descrita neste pedido de patente.[0006] In one embodiment, the method includes anodizing a nanoporous layer of anodic metal oxide on the surface, and catodizing yttrium oxide nanoparticles on the surface after anodizing the surface. In another embodiment, the method also includes the steps of applying a hydrophobic ceramic coating composition to the surface, after cathodizing the surface, by an application method selected from the group consisting of: pouring, dipping and spraying; and heating the coated surface to a curing temperature of from about 150°C to about 300°C for at least 2 hours. Each feature or concept is independent but may be combined with any other feature or concept described in this patent application.

[0007] Em qualquer uma das modalidades precedentes, o método também pode incluir a etapa de limpeza da superfície do substrato metálico com acetona antes da etapa de anodização. Em uma outra modalidade, o óxido de metal anódico pode compreender óxido de alumínio anódico. Cada característica ou conceito é independente, mas podem ser combinados com qualquer outra característica de conceito descrita neste pedido de patente.[0007] In any of the foregoing embodiments, the method may also include the step of cleaning the surface of the metal substrate with acetone prior to the anodizing step. In another embodiment, the anodic metal oxide can comprise anodic aluminum oxide. Each feature or concept is independent but may be combined with any other feature or concept described in this patent application.

[0008] Em qualquer uma das modalidade precedentes, a etapa de anodização pode compreender a anodização da superfície em uma solução ácida que tem uma concentração de cerca de 0,1 M a cerca de 0,3 M, a uma voltagem anodização de cerca de 8 V a cerca de 12 V por um tempo de anodização de cerca de 20 minutos a cerca de 90 minutos. Em uma modalidade, a solução ácida pode ter um pH menor do que cerca de 5. Em uma outra modalidade, a solução ácida pode compreender um ácido selecionado do grupo que consiste em: ácido acético, ácido cítrico, cloreto de hidrogênio, ácido nítrico e ácido sulfúrico. Em uma modalidade adicional, o ácido pode compreender o ácido sulfúrico. Em uma modalidade adicional, a concentração pode ser de cerca de 0,2 M. Em ainda uma outra modalidade, a voltagem de anodização pode ser de cerca de 10 V. Em uma modalidade, o tempo de anodização pode ser de cerca de 30 minutos a cerca de 60 minutos. Cada característica ou conceito é independente, mas podem ser combinados com qualquer outra característica de conceito descrita neste pedido de patente.[0008] In any of the foregoing embodiments, the anodizing step may comprise anodizing the surface in an acidic solution having a concentration of about 0.1M to about 0.3M, at an anodizing voltage of about 8 V to about 12 V for an anodizing time of about 20 minutes to about 90 minutes. In one embodiment, the acidic solution can have a pH of less than about 5. In another embodiment, the acidic solution can comprise an acid selected from the group consisting of: acetic acid, citric acid, hydrogen chloride, nitric acid and sulfuric acid. In a further embodiment, the acid can comprise sulfuric acid. In a further embodiment, the concentration can be about 0.2M. In yet another embodiment, the anodizing voltage can be about 10V. In one embodiment, the anodizing time can be about 30 minutes about 60 minutes. Each feature or concept is independent but may be combined with any other feature or concept described in this patent application.

[0009] Em qualquer uma das modalidades precedentes que envolvem a catodização, a etapa de catodização pode compreender a catodização da superfície em uma dispersão coloidal de nanopartículas de óxido de ítrio, a uma voltagem de catodização de cerca de 8 V a cerca de 12 V, e uma corrente de cerca de 0,05 miliampère a cerca de 0,15 miliampère, por um tempo de catodização de cerca de 30 minutos a cerca de 90 minutos. Em uma modalidade, as nanopartículas de óxido de ítrio podem ter um tamanho médio de partícula de cerca de 10 nm e podem estar presentes em uma quantidade que varia de cerca de 2% a cerca de 10% em peso da dispersão coloidal. Em uma outra modalidade, a quantidade de nanopartículas de óxido de ítrio pode ser de cerca de 5% em peso da dispersão coloidal. Em uma modalidade adicional, a voltagem de catodização pode ser de cerca de 10 V e a corrente pode ser de cerca de 0,1 miliampère. Em uma modalidade adicional, o tempo de catodização pode ser de cerca de 60 minutos. Em uma modalidade, o método também pode incluir a etapa de remoção das nanopartículas adicionais da superfície após a catodização da superfície. Em uma outra modalidade, a etapa de remoção pode incluir a limpeza da superfície com isopropanol. Cada característica ou conceito é independente, mas podem ser combinados com qualquer outra característica de conceito descrita neste pedido de patente.[0009] In any of the foregoing embodiments involving sputtering, the sputtering step may comprise sputtering the surface onto a colloidal dispersion of yttrium oxide nanoparticles at a sputtering voltage of about 8 V to about 12 V , and a current of about 0.05 milliampere to about 0.15 milliampere, for a cathodization time of about 30 minutes to about 90 minutes. In one embodiment, the yttrium oxide nanoparticles can have an average particle size of about 10 nm and can be present in an amount ranging from about 2% to about 10% by weight of the colloidal dispersion. In another embodiment, the amount of yttrium oxide nanoparticles can be about 5% by weight of the colloidal dispersion. In a further embodiment, the cathode voltage can be about 10 V and the current can be about 0.1 milliamps. In a further embodiment, the cathodization time can be about 60 minutes. In one embodiment, the method may also include the step of removing additional nanoparticles from the surface after cathoding the surface. In another embodiment, the removal step can include cleaning the surface with isopropanol. Each feature or concept is independent but may be combined with any other feature or concept described in this patent application.

[00010] Em qualquer uma das modalidades precedentes que envolvem a aplicação de uma composição de revestimento de cerâmica hidrofóbica à superfície, o método também pode incluir a etapa de secagem da composição de revestimento na superfície do substrato por cerca de 1 hora. Em uma modalidade, o método pode incluir o aquecimento da superfície revestida a uma temperatura de cura de cerca de 200°C. Em uma outra modalidade, a composição de revestimento de cerâmica hidrofóbica pode compreender um composto de ítrio, uma dispersão de nanopartículas de óxido de ítrio, um polímero solúvel em água e uma solução solvente de água deionizada e um álcool solúvel em água. Em uma modalidade adicional, o composto de ítrio pode compreender o acetato de ítrio, a dispersão de nanopartículas de óxido de ítrio pode estar presente em uma quantidade que varia de cerca de 0,5% a cerca de 1% em peso da composição de revestimento, o polímero solúvel em água pode compreender o álcool polivinílico em uma quantidade de cerca de 1% a cerca de 5% em peso da composição de revestimento, o álcool solúvel em água pode compreender o álcool isopropílico, e a água deionizada e o álcool solúvel em água podem estar presentes na solução solvente a uma razão de cerca de 2:1. Cada característica ou conceito é independente, mas podem ser combinados com qualquer outra característica de conceito descrita neste pedido de patente.[00010] In any of the foregoing embodiments that involve applying a hydrophobic ceramic coating composition to the surface, the method may also include the step of drying the coating composition on the surface of the substrate for about 1 hour. In one embodiment, the method can include heating the coated surface to a cure temperature of about 200°C. In another embodiment, the hydrophobic ceramic coating composition can comprise a yttrium compound, a dispersion of yttrium oxide nanoparticles, a water-soluble polymer and a solvent solution of deionized water and a water-soluble alcohol. In an additional embodiment, the yttrium compound can comprise yttrium acetate, the yttrium oxide nanoparticle dispersion can be present in an amount ranging from about 0.5% to about 1% by weight of the coating composition. , the water-soluble polymer may comprise polyvinyl alcohol in an amount of from about 1% to about 5% by weight of the coating composition, the water-soluble alcohol may comprise isopropyl alcohol, and the deionized water and soluble alcohol in water may be present in the solvent solution in a ratio of about 2:1. Each feature or concept is independent but may be combined with any other feature or concept described in this patent application.

[00011] Em qualquer uma das modalidades precedentes, o substrato metálico pode compreender um metal selecionado do grupo que consiste em: alumínio, titânio e aço inoxidável. Em uma modalidade, o metal pode compreender o alumínio. Cada característica ou conceito é independente, mas podem ser combinados com qualquer outra característica de conceito descrita neste pedido de patente.[00011] In any of the foregoing embodiments, the metallic substrate may comprise a metal selected from the group consisting of: aluminum, titanium and stainless steel. In one embodiment, the metal can comprise aluminum. Each feature or concept is independent but may be combined with any other feature or concept described in this patent application.

[00012] A presente invenção também é enquadrada em um substrato revestido hidrofóbico. Em uma modalidade, o substrato pode incluir um substrato metálico que tem uma superfície, uma camada nanoporosa de óxido de metal anódico formada na superfície, e um revestimento de cerâmica hidrofóbico ligado à camada nanoporosa. Em uma outra modalidade, o substrato também pode incluir nanopartículas de óxido de ítrio encastradas na camada nanoporosa. Cada característica ou conceito é independente, mas podem ser combinados com qualquer outra característica de conceito descrita neste pedido de patente.[00012] The present invention is also framed in a hydrophobic coated substrate. In one embodiment, the substrate can include a metallic substrate having a surface, an anodic metal oxide nanoporous layer formed on the surface, and a hydrophobic ceramic coating bonded to the nanoporous layer. In another embodiment, the substrate can also include yttrium oxide nanoparticles embedded in the nanoporous layer. Each feature or concept is independent but may be combined with any other feature or concept described in this patent application.

[00013] Em uma modalidade, o substrato revestido hidrofóbico pode incluir um substrato metálico que tem uma superfície, uma camada nanoporosa de óxido de metal anódico formada na superfície e nanopartículas de óxido de ítrio encastradas na camada nanoporosa. Em uma outra modalidade, o substrato também pode incluir um revestimento de cerâmica hidrofóbico ligado à camada nanoporosa. Cada característica ou conceito é independente, mas podem ser combinados com qualquer outra característica de conceito descrita neste pedido de patente.[00013] In one embodiment, the hydrophobic coated substrate may include a metal substrate having a surface, a nanoporous anodic metal oxide layer formed on the surface, and yttrium oxide nanoparticles embedded in the nanoporous layer. In another embodiment, the substrate can also include a hydrophobic ceramic coating bonded to the nanoporous layer. Each feature or concept is independent but may be combined with any other feature or concept described in this patent application.

[00014] Em qualquer uma das modalidades precedentes, a camada nanoporosa de óxido de metal anódico pode incluir nanopipetas. Em uma modalidade, as nanopipetas podem ter um diâmetro médio de cerca de 10 nm a cerca de 100 nm. Em uma outra modalidade, as nanopipetas podem ter um diâmetro médio de cerca de 20 nm a cerca de 50 nm. Em uma modalidade adicional, as nanopipetas podem ter um diâmetro mínimo de cerca de 10 nm e um diâmetro máximo de cerca de 100 nm. Em uma modalidade, as nanopipetas podem ter um comprimento médio de cerca de 100 nm a cerca de 10 μm. Em uma outra modalidade, as nanopipetas podem ter um comprimento médio de cerca de 1,5 μm a cerca de 8 μm. Em uma modalidade adicional, as nanopipetas podem ter um comprimento mínimo de cerca de 100 nm e um comprimento máximo de cerca de 10 μm. Cada característica ou conceito é independente, mas podem ser combinados com qualquer outra característica de conceito descrita neste pedido de patente.[00014] In any of the foregoing embodiments, the nanoporous layer of anodic metal oxide may include nanopipettes. In one embodiment, the nanopipettes can have an average diameter of from about 10 nm to about 100 nm. In another embodiment, the nanopipettes can have an average diameter of from about 20 nm to about 50 nm. In a further embodiment, the nanopipettes can have a minimum diameter of about 10 nm and a maximum diameter of about 100 nm. In one embodiment, the nanopipettes can have an average length of from about 100 nm to about 10 µm. In another embodiment, the nanopipettes can have an average length of from about 1.5 µm to about 8 µm. In a further embodiment, the nanopipettes can have a minimum length of about 100 nm and a maximum length of about 10 µm. Each feature or concept is independent but may be combined with any other feature or concept described in this patent application.

[00015] Em uma modalidade, as nanopartículas de óxido de ítrio podem ter um tamanho médio de partícula de cerca de 10 nm. Em uma outra modalidade, as nanopartículas de óxido de ítrio podem ser encastradas nas nanopipetas. Em uma modalidade adicional, o revestimento de cerâmica hidrofóbico pode compreender o acetato de ítrio. Cada característica ou conceito é independente, mas podem ser combinados com qualquer outra característica de conceito descrita neste pedido de patente.[00015] In one embodiment, the yttrium oxide nanoparticles may have an average particle size of about 10 nm. In another embodiment, yttrium oxide nanoparticles can be embedded in nanopipettes. In a further embodiment, the hydrophobic ceramic coating can comprise yttrium acetate. Each feature or concept is independent but may be combined with any other feature or concept described in this patent application.

[00016] Em qualquer uma das modalidades precedentes, o substrato metálico pode compreender um metal selecionado do grupo que consiste em: alumínio, titânio e aço inoxidável. Em uma modalidade, o metal pode compreender o alumínio. Cada característica ou conceito é independente, mas podem ser combinados com qualquer outra característica de conceito descrita neste pedido de patente.[00016] In any of the foregoing embodiments, the metallic substrate may comprise a metal selected from the group consisting of: aluminum, titanium and stainless steel. In one embodiment, the metal can comprise aluminum. Each feature or concept is independent but may be combined with any other feature or concept described in this patent application.

[00017] Em qualquer uma das modalidades precedentes, o óxido de metal anódico pode compreender óxido de alumínio anódico. Cada característica ou conceito é independente, mas podem ser combinados com qualquer outra característica de conceito descrita neste pedido de patente.[00017] In any of the foregoing embodiments, the anodic metal oxide may comprise anodic aluminum oxide. Each feature or concept is independent but may be combined with any other feature or concept described in this patent application.

[00018] Outras características e vantagens da invenção devem se tornar aparentes a partir da descrição a seguir das modalidades preferidas, tomada em conjunto com os desenhos anexos, que ilustram, a título de exemplo, os princípios da invenção.[00018] Other features and advantages of the invention should become apparent from the following description of preferred embodiments, taken in conjunction with the accompanying drawings, which illustrate, by way of example, the principles of the invention.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[00019] As Figuras 1A a 1C são fluxogramas que mostram métodos de aplicação de um revestimento hidrofóbico de acordo com qualquer modalidade da invenção.[00019] Figures 1A to 1C are flowcharts showing methods of applying a hydrophobic coating according to any embodiment of the invention.

[00020] A Figura 2A é uma ilustração em seção transversal de uma camada nanoporosa de óxido de metal anódico formada na superfície de um substrato metálico, de acordo com uma modalidade da invenção.[00020] Figure 2A is a cross-sectional illustration of a nanoporous layer of anodic metal oxide formed on the surface of a metallic substrate, according to an embodiment of the invention.

[00021] A Figura 2B é uma ilustração em vista superior de uma camada nanoporosa de óxido de metal anódico formada na superfície de um substrato metálico, de acordo com uma modalidade da invenção.[00021] Figure 2B is an illustration in top view of a nanoporous layer of anodic metal oxide formed on the surface of a metallic substrate, according to an embodiment of the invention.

[00022] A Figura 3A é uma ilustração em seção transversal de um substrato revestido hidrofóbico de acordo com uma modalidade da invenção.[00022] Figure 3A is a cross-sectional illustration of a hydrophobic coated substrate according to an embodiment of the invention.

[00023] A Figura 3B é uma ilustração em seção transversal de um substrato revestido hidrofóbico de acordo com uma modalidade da invenção.[00023] Figure 3B is a cross-sectional illustration of a hydrophobic coated substrate according to an embodiment of the invention.

[00024] A Figura 3C é uma ilustração em seção transversal de um substrato revestido hidrofóbico, de acordo com uma modalidade da invenção.[00024] Figure 3C is a cross-sectional illustration of a hydrophobic coated substrate, in accordance with an embodiment of the invention.

[00025] A Figura 4 é uma ilustração em seção transversal de um revestimento de cerâmica hidrofóbico aplicado a um substrato de alumínio que tem uma camada de óxido de alumínio nativa.[00025] Figure 4 is a cross-sectional illustration of a hydrophobic ceramic coating applied to an aluminum substrate that has a native aluminum oxide layer.

[00026] A Figura 5 é uma micrografia eletrônica de varredura de uma camada de nanopipeta de óxido de alumínio anodizado, de acordo com uma modalidade da invenção.[00026] Figure 5 is a scanning electron micrograph of an anodized aluminum oxide nanopipette layer, according to an embodiment of the invention.

[00027] A Figura 6 é uma fotografia de uma gota de água em uma superfície de alumínio que tem um revestimento de cerâmica hidrofóbico reforçado com nanopartículas de óxido de ítrio, de acordo com uma modalidade da invenção.[00027] Figure 6 is a photograph of a drop of water on an aluminum surface that has a hydrophobic ceramic coating reinforced with yttrium oxide nanoparticles, in accordance with an embodiment of the invention.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERIDASDETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED MODALITIES

[00028] Com referência agora às Figuras 1A a 1C dos desenhos ilustrativos, são mostrados métodos de aplicação de um revestimento hidrofóbico a uma superfície de um substrato metálico de acordo com as modalidades da invenção. Com referência particular à Figura 1A, em uma modalidade, o método pode incluir a etapa 110 de anodização de uma camada nanoporosa de óxido de metal anódico na superfície; a etapa 120 de catodização de nanopartículas de óxido de ítrio sobre a superfície; a etapa 130 de aplicação de uma composição de revestimento de cerâmica hidrofóbica à superfície; e a etapa 140 de aquecimento da superfície revestida.[00028] Referring now to Figures 1A to 1C of the illustrative drawings, methods of applying a hydrophobic coating to a surface of a metal substrate according to embodiments of the invention are shown. With particular reference to Figure 1A, in one embodiment, the method may include the step 110 of anodizing a nanoporous layer of anodic metal oxide on the surface; step 120 of catodizing yttrium oxide nanoparticles onto the surface; step 130 of applying a hydrophobic ceramic coating composition to the surface; and step 140 of heating the coated surface.

[00029] Em algumas modalidades, o método pode omitir uma ou mais destas etapas. Por exemplo, com referência agora à Figura 1B, em uma modalidade o método pode incluir a etapa 110 de anodização de uma camada nanoporosa de óxido de metal anódico na superfície, a etapa 130 de aplicação de um revestimento de cerâmica hidrofóbico à superfície, e a etapa 140 de aquecimento da superfície revestida. Alternativamente, com referência agora à Figura 1C, em uma outra modalidade, o método pode incluir a etapa 110 de anodização de uma camada nanoporosa de óxido de metal anódico na superfície, e a etapa 120 de catodização de nanopartículas de óxido de ítrio sobre a superfície.[00029] In some embodiments, the method may omit one or more of these steps. For example, referring now to Figure 1B, in one embodiment the method may include the step 110 of anodizing a nanoporous layer of anodic metal oxide on the surface, the step 130 of applying a hydrophobic ceramic coating to the surface, and step 140 of heating the coated surface. Alternatively, referring now to Figure 1C, in another embodiment, the method may include the step 110 of anodizing a nanoporous layer of anodic metal oxide on the surface, and the step 120 of catodizing yttrium oxide nanoparticles on the surface. .

O Substrato MetálicoThe Metallic Substrate

[00030] Em uma modalidade, o substrato metálico pode compreender um metal selecionado do grupo que consiste em: alumínio, titânio e aço inoxidável. Em uma outra modalidade, o metal pode compreender o alumínio. Esses substratos metálicos podem apresentar desafios singulares para o projeto de revestimentos hidrofóbicos duráveis. Por exemplo, o alumínio, o titânio e o aço inoxidável têm coeficientes de expansão térmica e módulos elásticos que são incompatíveis com muitos revestimentos de sol-gel hidrofóbicos.[00030] In one embodiment, the metallic substrate may comprise a metal selected from the group consisting of: aluminum, titanium and stainless steel. In another embodiment, the metal can comprise aluminum. These metallic substrates can present unique challenges to the design of durable hydrophobic coatings. For example, aluminum, titanium, and stainless steel have coefficients of thermal expansion and elastic modulus that are incompatible with many hydrophobic sol-gel coatings.

[00031] Além disso, a propriedade de autopassivação das superfícies de alumínio e titânio apresenta um desafio adicional. É sabido que os substratos metálicos tais como o alumínio e o titânio desenvolvem um acúmulo de óxido conformal em suas superfícies. Essa camada de óxido é formada dentro de minutos de exposição atmosféricas e atinge geralmente espessuras que não excedem 10 nm. A camada de formação natural pode ser removida com abrasão leve e deformação mecânica, tornando difícil manter um revestimento de superfície com forte aderência e durabilidade.[00031] Furthermore, the self-passivation property of aluminum and titanium surfaces presents an additional challenge. It is known that metallic substrates such as aluminum and titanium develop a conformal oxide buildup on their surfaces. This oxide layer is formed within minutes of atmospheric exposure and generally reaches thicknesses not exceeding 10 nm. The naturally formed layer can be removed with light abrasion and mechanical deformation, making it difficult to maintain a surface coating with strong adhesion and durability.

Anodização da SuperfícieSurface Anodizing

[00032] A anodização é um processo eletroquímico que muda a química da superfície de um metal, através da oxidação, para produzir uma camada de óxido anódica. Surpreendentemente, a camada nanoporosa de óxido de metal anódico formada na superfície pela etapa 110 pode servir para criar uma ligação permanente entre os revestimentos de sol e gel, tal como um revestimento de cerâmica hidrofóbico, e a superfície do substrato metálico. Em uma modalidade, a etapa de anodização 110 pode compreender a anodização da superfície em uma solução ácida. Em uma outra modalidade, a solução ácida pode ter um pH menor do que cerca de 5. Em uma modalidade adicional, a solução ácida pode compreender um ácido selecionado do grupo que consiste em: ácido acético, ácido cítrico, cloreto de hidrogênio, ácido nítrico e ácido sulfúrico. Em uma modalidade adicional, o ácido pode compreender o ácido sulfúrico.[00032] Anodizing is an electrochemical process that changes the surface chemistry of a metal, through oxidation, to produce an anodic oxide layer. Surprisingly, the nanoporous layer of anodic metal oxide formed on the surface by step 110 can serve to create a permanent bond between sol and gel coatings, such as a hydrophobic ceramic coating, and the surface of the metallic substrate. In one embodiment, the anodizing step 110 may comprise anodizing the surface in an acidic solution. In another embodiment, the acid solution can have a pH of less than about 5. In a further embodiment, the acid solution can comprise an acid selected from the group consisting of: acetic acid, citric acid, hydrogen chloride, nitric acid and sulfuric acid. In a further embodiment, the acid can comprise sulfuric acid.

[00033] Em uma modalidade, a solução ácida pode ter uma concentração de cerca de 0,1 M a cerca de 0,3 M. Em uma outra modalidade, a concentração pode ser de cerca de 0,2 M. Em uma modalidade adicional, a etapa 110 pode ser executada com uma voltagem de anodização de cerca de 8 V a cerca de 12 V por um tempo de anodização de cerca de 20 minutos a cerca de 90 minutos. Em uma modalidade adicional, a voltagem de anodização pode ser de cerca de 10 V. Em ainda uma outra modalidade, o tempo de anodização pode ser de cerca de 30 minutos a cerca de 60 minutos.[00033] In one embodiment, the acidic solution can have a concentration of about 0.1M to about 0.3M. In another embodiment, the concentration can be about 0.2M. , step 110 may be performed at an anodizing voltage of about 8 V to about 12 V for an anodizing time of about 20 minutes to about 90 minutes. In a further embodiment, the anodizing voltage can be about 10 V. In yet another embodiment, the anodizing time can be from about 30 minutes to about 60 minutes.

[00034] Durante a etapa de anodização 110, nanoestruturas automontadas de óxido de metal anódico 210, tal como o óxido de alumínio anódico, podem ser desenvolvidas na superfície 205, tal como ilustrado nas Figuras 2A e 2B. Em uma modalidade, os parâmetros de anodização descritos acima podem produzir uma camada nanoporosa de óxido de metal anódico 210 que tem uma disposição ordenada de poros cilíndricos, ou nanopipetas 215. Os diâmetros de poro D, a periodicidade e a distribuição de densidade das nanopipetas 215 podem ser controlados mediante o ajuste dos parâmetros de anodização descritos acima. Os ajustes dos parâmetros de anodização podem ser feitos para controlar o diâmetro D e o comprimento L das nanopipetas 215, independentemente.[00034] During the anodizing step 110, self-assembled nanostructures of anodic metal oxide 210, such as anodic aluminum oxide, can be grown on the surface 205, as illustrated in Figures 2A and 2B. In one embodiment, the anodizing parameters described above can produce a nanoporous layer of anodic metal oxide 210 that has an ordered arrangement of cylindrical pores, or nanopipettes 215. The pore diameters D, periodicity, and density distribution of the nanopipettes 215 can be controlled by adjusting the anodizing parameters described above. Adjustments to the anodizing parameters can be made to control the diameter D and length L of the nanopipettes 215 independently.

[00035] Em uma modalidade, as nanopipetas 215 podem ter um diâmetro médio D de cerca de 10 nm a cerca de 100 nm. Em uma outra modalidade, as nanopipetas 215 podem ter um diâmetro médio D de cerca de 20 nm a cerca de 50 nm. Em uma modalidade adicional, as nanopipetas 215 podem ter um diâmetro mínimo D de cerca de 10 nm e um diâmetro máximo de cerca de 100 nm.[00035] In one embodiment, the nanopipettes 215 can have an average diameter D of from about 10 nm to about 100 nm. In another embodiment, the nanopipettes 215 can have an average diameter D of from about 20 nm to about 50 nm. In a further embodiment, the nanopipettes 215 can have a minimum diameter D of about 10 nm and a maximum diameter of about 100 nm.

[00036] Em uma modalidade, as nanopipetas 215 podem ter um diâmetro mínimo D de cerca de 10 nm, cerca de 15 nm, cerca de 20 nm, cerca de 25 nm, cerca de 30 nm, cerca de 35 nm, cerca de 40 nm, cerca de 45 nm, cerca de 50 nm, cerca de 55 nm, cerca de 60 nm, cerca de 65 nm, cerca de 70 nm, cerca de 75 nm, cerca de 80 nm, cerca de 85 nm, cerca de 90 nm, cerca de 95 nm, ou cerca de 100 nm. Em uma outra modalidade, as nanopipetas 215 podem ter um diâmetro máximo D de cerca de 10 nm, cerca de 15 nm, cerca de 20 nm, cerca de 25 nm, cerca de 30 nm, cerca de 35 nm, cerca de 40 nm, cerca de 45 nm, cerca de 50 nm, cerca de 55 nm, cerca de 60 nm, cerca de 65 nm, cerca de 70 nm, cerca de 75 nm, cerca de 80 nm, cerca de 85 nm, cerca de 90 nm, cerca de 95 nm, ou cerca de 100 nm.[00036] In one embodiment, the nanopipettes 215 can have a minimum diameter D of about 10 nm, about 15 nm, about 20 nm, about 25 nm, about 30 nm, about 35 nm, about 40 nm, about 45 nm, about 50 nm, about 55 nm, about 60 nm, about 65 nm, about 70 nm, about 75 nm, about 80 nm, about 85 nm, about 90 nm, about 95 nm, or about 100 nm. In another embodiment, the nanopipettes 215 can have a maximum diameter D of about 10 nm, about 15 nm, about 20 nm, about 25 nm, about 30 nm, about 35 nm, about 40 nm, about 45 nm, about 50 nm, about 55 nm, about 60 nm, about 65 nm, about 70 nm, about 75 nm, about 80 nm, about 85 nm, about 90 nm, about 95 nm, or about 100 nm.

[00037] Em uma modalidade, as nanopipetas 215 podem ter um comprimento médio L de cerca de 100 nm a cerca de 10 μm. Em uma outra modalidade, as nanopipetas 215 podem ter um comprimento médio L de cerca de 1,5 μm a cerca de 8 μm. Em uma modalidade adicional, as nanopipetas 215 podem ter um comprimento mínimo L de cerca de 100 nm e um comprimento máximo L de cerca de 10 μm.[00037] In one embodiment, the nanopipettes 215 can have an average length L of about 100 nm to about 10 µm. In another embodiment, the nanopipettes 215 can have an average length L of from about 1.5 µm to about 8 µm. In a further embodiment, the nanopipettes 215 can have a minimum length L of about 100 nm and a maximum length L of about 10 µm.

[00038] Em uma modalidade, as nanopipetas 215 podem ter um comprimento mínimo L de cerca de 100 nm, cerca de 500 nm, cerca de 1 μm, cerca de 1,5 μm, cerca de 2 μm, cerca de 2,5 μm, cerca de 3 μm, cerca de 3,5 μm, cerca de 4 μm, cerca de 4,5 μm, cerca de 5 μm, cerca de 5,5 μm, cerca de 6 μm, cerca de 6,5 μm, cerca de 7 μm, cerca de 7,5 μm, cerca de 8 μm, cerca de 8,5 μm, cerca de 9 μm, cerca de 9,5 μm, ou cerca de 10 μm. Em uma outra modalidade, as nanopipetas 215 podem ter um comprimento máximo L de cerca de 100 nm, cerca de 500 nm, cerca de 1 μm, cerca de 1,5 μm, cerca de 2 μm, cerca de 2,5 μm, cerca de 3 μm, cerca de 3,5 μm, cerca de 4 μm, cerca de 4,5 μm, cerca de 5 μm, cerca de 5,5 μm, cerca de 6 μm, cerca de 6,5 μm, cerca de 7 μm, cerca de 7,5 μm, cerca de 8 μm, cerca de 8,5 μm, cerca de 9 μm, cerca de 9,5 μm, ou cerca de 10 μm.[00038] In one embodiment, the nanopipettes 215 can have a minimum length L of about 100 nm, about 500 nm, about 1 μm, about 1.5 μm, about 2 μm, about 2.5 μm , about 3 μm, about 3.5 μm, about 4 μm, about 4.5 μm, about 5 μm, about 5.5 μm, about 6 μm, about 6.5 μm, about of 7 μm, about 7.5 μm, about 8 μm, about 8.5 μm, about 9 μm, about 9.5 μm, or about 10 μm. In another embodiment, the nanopipettes 215 can have a maximum length L of about 100 nm, about 500 nm, about 1 µm, about 1.5 µm, about 2 µm, about 2.5 µm, about about 3 μm, about 3.5 μm, about 4 μm, about 4.5 μm, about 5 μm, about 5.5 μm, about 6 μm, about 6.5 μm, about 7 μm, about 7.5 μm, about 8 μm, about 8.5 μm, about 9 μm, about 9.5 μm, or about 10 μm.

[00039] Esta camada nanoporosa de óxido de metal anódico 210 pode realçar a interpenetração de material e aumentar a intensidade da ligação mecânica e química entre a superfície 205 e, por exemplo, as nanopartículas de óxido de ítrio encastradas 220 (Figura 3C), um revestimento de cerâmica hidrofóbico 230 (Figura 3B), ou ambos (Figura 3A).[00039] This anodic metal oxide nanoporous layer 210 can enhance material interpenetration and increase the strength of mechanical and chemical bonding between the surface 205 and, for example, embedded yttrium oxide nanoparticles 220 (Figure 3C), a hydrophobic ceramic coating 230 (Figure 3B), or both (Figure 3A).

Catodização da SuperfícieSurface Catodization

[00040] Com referência outra vez às Figuras 1A e 1C, em uma modalidade, a etapa de catodização 120 pode compreender a catodização da superfície em uma dispersão coloidal de nanopartículas de óxido de ítrio. Em uma outra modalidade, as nanopartículas de óxido de ítrio podem ter um tamanho médio de partícula de cerca de 10 nm e podem estar presentes em uma quantidade que varia de cerca de 2% a cerca de 10% em peso da dispersão coloidal. Em uma modalidade adicional, a quantidade de nanopartículas de óxido de ítrio pode ser de cerca de 5% em peso da dispersão coloidal.[00040] Referring again to Figures 1A and 1C, in one embodiment, the cathodization step 120 may comprise surface cathodization on a colloidal dispersion of yttrium oxide nanoparticles. In another embodiment, the yttrium oxide nanoparticles can have an average particle size of about 10 nm and can be present in an amount ranging from about 2% to about 10% by weight of the colloidal dispersion. In a further embodiment, the amount of yttrium oxide nanoparticles can be about 5% by weight of the colloidal dispersion.

[00041] Em uma modalidade, a etapa de catodização 120 compreende a conexão elétrica do substrato metálico ao terminal (catódico) negativo em um conjunto de eletrodeposição (não mostrado). Em uma outra modalidade, a superfície do substrato metálico é catodizada com uma voltagem de catodização de cerca de 8 V a cerca de 12 V, e uma corrente de cerca de 0,05 miliampère a cerca de 0,15 miliampère, por um tempo de cerca de 30 minutos a cerca de 90 minutos. Em uma modalidade adicional, a voltagem de catodização pode ser de cerca de 10 V e a corrente pode ser de cerca de 0,1 miliampère. Em uma modalidade adicional, o tempo de catodização pode ser cerca de 60 minutos. Em ainda uma outra modalidade, a etapa de catodização 120 também pode incluir a etapa de remoção do excesso de nanopartículas da superfície depois que ela foi catodizada. Em uma modalidade, a etapa de remoção pode incluir a limpeza da superfície catodizada com isopropanol.[00041] In one embodiment, the cathodization step 120 comprises electrically connecting the metallic substrate to the negative (cathode) terminal in an electrodeposition assembly (not shown). In another embodiment, the surface of the metallic substrate is cathodized with a cathodizing voltage of about 8 V to about 12 V, and a current of about 0.05 milliampere to about 0.15 milliampere, for a time of about 30 minutes to about 90 minutes. In a further embodiment, the cathode voltage can be about 10 V and the current can be about 0.1 milliamps. In a further embodiment, the cathodization time can be about 60 minutes. In yet another embodiment, the cathodizing step 120 can also include the step of removing excess nanoparticles from the surface after it has been cathodized. In one embodiment, the removal step can include cleaning the cathodized surface with isopropanol.

[00042] Sob estas condições de catodização, as modalidades deste método podem resultar em um substrato revestido hidrofóbico 200 tal como ilustrado na Figura 3C. Em uma modalidade, o substrato revestido hidrofóbico 200 pode incluir o substrato metálico que tem a superfície 205, a camada nanoporosa de óxido de metal anódico 210 formada na superfície 205, e as nanopartículas de óxido de ítrio 220 encastradas na camada nanoporosa 210. Em uma modalidade adicional, as nanopartículas de óxido de ítrio 220 podem ter um tamanho médio de partícula de cerca de 10 nm. Em ainda uma outra modalidade, as nanopartículas de óxido de ítrio 220 pode ser encastrada nas nanopipetas 215.[00042] Under these cathodization conditions, embodiments of this method can result in a hydrophobic coated substrate 200 as illustrated in Figure 3C. In one embodiment, the coated hydrophobic substrate 200 can include the metallic substrate having the surface 205, the nanoporous anodic metal oxide layer 210 formed on the surface 205, and the yttrium oxide nanoparticles 220 embedded in the nanoporous layer 210. In an additional embodiment, the yttrium oxide 220 nanoparticles can have an average particle size of about 10 nm. In yet another embodiment, yttrium oxide nanoparticles 220 can be embedded in nanopipettes 215.

[00043] Essas nanopartículas de óxido de ítrio encastradas 220 podem melhorar a capacidade hidrofóbica da superfície 205 enquanto também conferem um desempenho robusto contra a abrasão da superfície e a deformação. Além disso, quando são usadas em combinação com um revestimento de cerâmica (Figura 3A), tal como o revestimento de cerâmica discutido a seguir, as nanopartículas 220 podem permitir que o revestimento de cerâmica cure a uma temperatura mais baixa, o que mitiga a migração atômica e outras mudanças nas propriedades mecânicas do substrato metálico.[00043] These embedded yttrium oxide nanoparticles 220 can improve the hydrophobic ability of the surface 205 while also imparting robust performance against surface abrasion and deformation. Furthermore, when used in combination with a ceramic coating (Figure 3A), such as the ceramic coating discussed below, the nanoparticles 220 can allow the ceramic coating to cure at a lower temperature, which mitigates migration atomic and other changes in the mechanical properties of the metallic substrate.

Aplicação de um Revestimento de CerâmicaApplication of a Ceramic Coating

[00044] Com referência outra vez às Figuras 1A e 1B, a composição de revestimento pode ser aplicada à superfície, na etapa 130, por um método de aplicação selecionado do grupo que consiste em escoamento, imersão e aspersão. A seleção do método apropriado, ou da combinação de métodos, é normalmente compreendida por um elemento normalmente versado no estado da técnica. Por exemplo, um revestimento de escoamento ou aspersão pode ser apropriado para peças grandes ou formatos complexos, ou quando dois revestimentos diferentes forem requeridos. O revestimento de imersão pode ser apropriado, por exemplo, onde uma peça inteira deve ser revestida.[00044] Referring again to Figures 1A and 1B, the coating composition can be applied to the surface, in step 130, by an application method selected from the group consisting of pouring, dipping and spraying. Selection of the appropriate method, or combination of methods, is normally understood by one normally versed in the prior art. For example, a flow or spray coating may be appropriate for large parts or complex shapes, or where two different coatings are required. Dip coating may be appropriate, for example, where an entire part is to be coated.

[00045] Em uma modalidade, a composição de revestimento pode incluir um composto de ítrio; um aditivo selecionado do grupo que consiste em um composto de cério e uma dispersão de nanopartículas de óxido de ítrio; um polímero solúvel em água; e uma solução solvente de água deionizada e um álcool solúvel em água.[00045] In one embodiment, the coating composition can include a yttrium compound; an additive selected from the group consisting of a cerium compound and a dispersion of yttrium oxide nanoparticles; a water-soluble polymer; and a solvent solution of deionized water and a water-soluble alcohol.

[00046] A tabela a seguir apresenta fórmulas químicas para os reagentes químicos à base de ítrio disponíveis para a síntese de sol-gel. Em uma modalidade, o ítrio é selecionado do grupo que consiste em acetato de ítrio, carbonato de ítrio, cloreto de ítrio, fluoreto de ítrio, hidróxido de ítrio, metal de ítrio, nitrato de ítrio, oxalato de ítrio e sulfato de ítrio. Em uma modalidade preferida, o ítrio é o acetato de ítrio.

Figure img0001
Figure img0002
[00046] The following table presents chemical formulas for yttrium-based chemical reagents available for sol-gel synthesis. In one embodiment, yttrium is selected from the group consisting of yttrium acetate, yttrium carbonate, yttrium chloride, yttrium fluoride, yttrium hydroxide, yttrium metal, yttrium nitrate, yttrium oxalate, and yttrium sulfate. In a preferred embodiment, the yttrium is yttrium acetate.
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[00047] Em uma modalidade, o composto do cério é solúvel em água. Os exemplos de compostos de cério solúveis em água incluem o brometo de cério, o cloreto de cério e o nitrato de cério. Em uma outra modalidade, o composto de cério é frugalmente solúvel em água. Os exemplos de compostos de cério frugalmente solúveis em água incluem o acetato de cério e o sulfato de cério.[00047] In one embodiment, the cerium compound is water soluble. Examples of water-soluble cerium compounds include cerium bromide, cerium chloride and cerium nitrate. In another embodiment, the cerium compound is sparingly soluble in water. Examples of sparingly water-soluble cerium compounds include cerium acetate and cerium sulfate.

[00048] Em outras modalidades, a composição de revestimento compreende um aditivo de uma dispersão de nanopartículas de óxido de ítrio. A dispersão de nanopartículas de óxido de ítrio é de preferência compatível com a composição de revestimento e, portanto, pode ser adicionada a níveis elevados sem precipitação. Em uma modalidade, a dispersão de nanopartículas de óxido de ítrio está presente em uma quantidade que varia de cerca de 0,1% a cerca de 5% em peso da composição de revestimento. Em uma modalidade preferida, a quantidade da dispersão de nanopartículas de óxido de ítrio é de cerca de 0,5% a cerca de 1% em peso da composição de revestimento.[00048] In other embodiments, the coating composition comprises an additive of a dispersion of yttrium oxide nanoparticles. The yttrium oxide nanoparticle dispersion is preferably compatible with the coating composition and therefore can be added at high levels without precipitation. In one embodiment, the yttrium oxide nanoparticle dispersion is present in an amount ranging from about 0.1% to about 5% by weight of the coating composition. In a preferred embodiment, the amount of yttrium oxide nanoparticle dispersion is from about 0.5% to about 1% by weight of the coating composition.

[00049] Uma modalidade preferida da composição de revestimento também compreende um polímero solúvel em água. Este componente de polímero solúvel em água age de modo a aumentar a espessura do revestimento hidrofóbico final. A natureza hidrofóbica da composição de revestimento sem o polímero solúvel em água torna a mesma resistente à geração de uma espessura elevada. A adição de um polímero solúvel em água à composição de revestimento aumenta a espessura de revestimento final até mais de cerca de 50 nm, mais de cerca de 75 nm, mais de cerca de 100 nm, mais de cerca de 125 nm, mais de cerca de 150 nm, mais de cerca de 200 nm, mais de cerca de 225 nm, ou mais de cerca de 250 nm.[00049] A preferred embodiment of the coating composition also comprises a water-soluble polymer. This water-soluble polymer component acts to increase the thickness of the final hydrophobic coating. The hydrophobic nature of the coating composition without the water-soluble polymer makes it resistant to high build buildup. The addition of a water-soluble polymer to the coating composition increases the final coating thickness to greater than about 50 nm, greater than about 75 nm, greater than about 100 nm, greater than about 125 nm, greater than about greater than 150 nm, greater than about 200 nm, greater than about 225 nm, or greater than about 250 nm.

[00050] Em uma modalidade, o polímero solúvel em água é selecionado do grupo que consiste em poli(n-vinilpirrolidona), cloridreto de poli(vinilamina), polimetacrilamida, álcool polivinílico, poliacrilamida, óxido de poli(óxidode etileno-b-óxido de propileno), ácido poli(metacrílico), óxido de poli(etileno), poli(n-iso-propilacrilamida) e poli(2-vinilpiridina). Em uma modalidade adicional, o polímero solúvel em água é o álcool polivinílico. Em uma modalidade, o polímero solúvel em água está presente em uma quantidade que varia de cerca de 1% a cerca de 10% em peso da composição de revestimento. Em ainda uma outra modalidade, a quantidade do polímero solúvel em água é de cerca de 1% a cerca de 5% em peso da composição de revestimento.[00050] In one embodiment, the water-soluble polymer is selected from the group consisting of poly(n-vinylpyrrolidone), poly(vinylamine hydrochloride), polymethacrylamide, polyvinyl alcohol, polyacrylamide, poly(ethylene oxide-b-oxide) of propylene), poly(methacrylic acid), poly(ethylene oxide), poly(n-iso-propylacrylamide) and poly(2-vinylpyridine). In a further embodiment, the water-soluble polymer is polyvinyl alcohol. In one embodiment, the water-soluble polymer is present in an amount ranging from about 1% to about 10% by weight of the coating composition. In yet another embodiment, the amount of the water-soluble polymer is from about 1% to about 5% by weight of the coating composition.

[00051] Uma modalidade preferida da composição de revestimento também compreende uma solução solvente de água deionizada e um álcool solúvel em água. Em uma modalidade, o álcool solúvel em água é selecionado do grupo que consiste em álcool isopropílico, metanol, etanol, propanol e butanol. A tabela a seguir apresenta as fórmulas químicas e os níveis de solubilidade em água de alguns álcoois solúveis em água, mas qualquer outro álcool solúvel em água pode ser usado. Em uma outra modalidade preferida, a água deionizada e o álcool solúvel em água estão presentes na solução solvente a uma razão de cerca de 2:1.

Figure img0003
[00051] A preferred embodiment of the coating composition also comprises a solvent solution of deionized water and a water-soluble alcohol. In one embodiment, the water-soluble alcohol is selected from the group consisting of isopropyl alcohol, methanol, ethanol, propanol and butanol. The following table gives the chemical formulas and water solubility levels of some water-soluble alcohols, but any other water-soluble alcohol can be used. In another preferred embodiment, the deionized water and the water-soluble alcohol are present in the solvent solution at a ratio of about 2:1.
Figure img0003

[00052] Em uma modalidade, não mostrada, o método inclui a etapa de colocação da composição de revestimento na superfície do substrato para secar antes de etapa de aquecimento 140. Em uma modalidade alternativa, o método pode compreender a etapa de secagem da composição de revestimento na superfície do substrato antes do aquecimento 140. Em qualquer caso, a composição de revestimento pode ser colocada para secar por cerca de 1 hora, cerca de 2 horas, cerca de 3 horas, ou até a composição de revestimento ficar no "estado verde".[00052] In one embodiment, not shown, the method includes the step of placing the coating composition on the surface of the substrate to dry before the heating step 140. In an alternative embodiment, the method may comprise the step of drying the coating composition coating on the surface of the substrate before heating 140. In any case, the coating composition can be allowed to dry for about 1 hour, about 2 hours, about 3 hours, or until the coating composition is in the "green state". ".

Aquecimento da SuperfícieSurface Heating

[00053] Com referência outra vez às Figuras 1A e 1B, em uma modalidade, o método pode compreender a etapa 140 de aquecimento da superfície revestida a uma temperatura de cura de cerca de 150°C a cerca de 300°C por um tempo de cura de pelo menos 2 horas. Em uma outra modalidade, o tempo de cura pode ser de cerca de 2 horas a cerca de 24 horas. Em uma modalidade adicional, a temperatura de cura pode ser de cerca de 200°C e o tempo de cura pode ser de pelo menos 2 horas.[00053] Referring again to Figures 1A and 1B, in one embodiment, the method may comprise the step 140 of heating the coated surface to a curing temperature of about 150°C to about 300°C for a time of Cure for at least 2 hours. In another embodiment, the curing time can be from about 2 hours to about 24 hours. In a further embodiment, the cure temperature can be about 200°C and the cure time can be at least 2 hours.

Um Substrato Revestido HidrofóbicoA hydrophobic coated substrate

[00054] Com referência outra vez às Figuras 3A a 3C dos desenhos ilustrativos, são mostrados os substratos revestidos hidrofóbicos 200 de acordo com as modalidades da invenção. Com referência particular à Figura 3A, em uma modalidade, o substrato pode incluir um substrato metálico que tem uma superfície 205, uma camada nanoporosa de óxido de metal anódico 210 formada na superfície 205, nanopartículas de óxido de ítrio 220 encastradas na camada nanoporosa 210, e um revestimento de cerâmica hidrofóbico 230 ligado à camada nanoporosa 210. O substrato revestido hidrofóbico 200 mostrado na Figura 3A pode ser produzido pelo método esboçado na Figura 1A.[00054] Referring again to Figures 3A to 3C of the illustrative drawings, hydrophobic coated substrates 200 are shown in accordance with embodiments of the invention. With particular reference to Figure 3A, in one embodiment, the substrate can include a metallic substrate having a surface 205, a nanoporous anodic metal oxide layer 210 formed on the surface 205, yttrium oxide nanoparticles 220 embedded in the nanoporous layer 210, and a hydrophobic ceramic coating 230 attached to the nanoporous layer 210. The hydrophobic coated substrate 200 shown in Figure 3A can be produced by the method outlined in Figure 1A.

[00055] Em algumas modalidades, o substrato revestido hidrofóbico 200 pode omitir um ou mais destes elementos. Por exemplo, com referência agora à Figura 3B, em uma modalidade, o substrato revestido hidrofóbico 200 pode incluir o substrato metálico que tem a superfície 205, a camada nanoporosa de óxido de metal anódico 210 formada na superfície 205, e o revestimento de cerâmica hidrofóbico 230 ligado à camada nanoporosa 210. Este substrato revestido hidrofóbico 200 pode ser produzido pelo método esboçado na figura 1B. Alternativamente, com referência à Figura 3C, em uma outra modalidade, o substrato revestido hidrofóbico 200 pode incluir o substrato metálico que tem a superfície 205, a camada nanoporosa de óxido de metal anódico 210 formada na superfície 205, e as nanopartículas de óxido de ítrio 220 encastradas na camada nanoporosa 210. Este substrato revestido hidrofóbico 200 pode ser produzido pelo método esboçado na Figura 1C.[00055] In some embodiments, the hydrophobic coated substrate 200 may omit one or more of these elements. For example, referring now to Figure 3B, in one embodiment, the hydrophobic coated substrate 200 can include the metallic substrate having the surface 205, the nanoporous anodic metal oxide layer 210 formed on the surface 205, and the hydrophobic ceramic coating 230 bonded to nanoporous layer 210. This hydrophobic coated substrate 200 can be produced by the method outlined in Figure 1B. Alternatively, referring to Figure 3C, in another embodiment, the hydrophobic coated substrate 200 can include the metal substrate having the surface 205, the nanoporous layer of anodic metal oxide 210 formed on the surface 205, and the yttrium oxide nanoparticles 220 embedded in the nanoporous layer 210. This hydrophobic coated substrate 200 can be produced by the method outlined in Figure 1C.

[00056] Em uma modalidade, a camada nanoporosa de óxido de metal anódico 210 pode incluir as nanopipetas 215. Em uma outra modalidade, as nanopipetas 215 podem ter um diâmetro médio D de cerca de 10 nm a cerca de 100 nm. Em uma modalidade adicional, as nanopipetas 215 podem ter um diâmetro médio D de cerca de 20 nm a cerca de 50 nm. Em uma modalidade adicional, as nanopipetas 215 podem ter um diâmetro mínimo D de cerca de 10 nm e um diâmetro máximo D de cerca de 100 nm.[00056] In one embodiment, the nanoporous anodic metal oxide layer 210 can include the nanopipettes 215. In another embodiment, the nanopipettes 215 can have an average diameter D of about 10 nm to about 100 nm. In a further embodiment, the nanopipettes 215 can have an average diameter D of from about 20 nm to about 50 nm. In a further embodiment, the nanopipettes 215 can have a minimum diameter D of about 10 nm and a maximum diameter D of about 100 nm.

[00057] Em uma modalidade, as nanopipetas 215 podem ter um diâmetro mínimo D de cerca de 10 nm, cerca de 15 nm, cerca de 20 nm, cerca de 25 nm, cerca de 30 nm, cerca de 35 nm, cerca de 40 nm, cerca de 45 nm, cerca de 50 nm, cerca de 55 nm, cerca de 60 nm, cerca de 65 nm, cerca de 70 nm, cerca de 75 nm, cerca de 80 nm, cerca de 85 nm, cerca de 90 nm, cerca de 95 nm, ou cerca de 100 nm. Em uma outra modalidade, as nanopipetas 215 podem ter um diâmetro máximo D de cerca de 10 nm, cerca de 15 nm, cerca de 20 nm, cerca de 25 nm, cerca de 30 nm, cerca de 35 nm, cerca de 40 nm, cerca de 45 nm, cerca de 50 nm, cerca de 55 nm, cerca de 60 nm, cerca de 65 nm, cerca de 70 nm, cerca de 75 nm, cerca de 80 nm, cerca de 85 nm, cerca de 90 nm, cerca de 95 nm, ou cerca de 100 nm.[00057] In one embodiment, the nanopipettes 215 can have a minimum diameter D of about 10 nm, about 15 nm, about 20 nm, about 25 nm, about 30 nm, about 35 nm, about 40 nm, about 45 nm, about 50 nm, about 55 nm, about 60 nm, about 65 nm, about 70 nm, about 75 nm, about 80 nm, about 85 nm, about 90 nm, about 95 nm, or about 100 nm. In another embodiment, the nanopipettes 215 can have a maximum diameter D of about 10 nm, about 15 nm, about 20 nm, about 25 nm, about 30 nm, about 35 nm, about 40 nm, about 45 nm, about 50 nm, about 55 nm, about 60 nm, about 65 nm, about 70 nm, about 75 nm, about 80 nm, about 85 nm, about 90 nm, about 95 nm, or about 100 nm.

[00058] Em uma modalidade, as nanopipetas 215 podem ter um comprimento médio L de cerca de 100 nm a cerca de 10 μm. Em uma outra modalidade, as nanopipetas 215 podem ter um comprimento médio L de cerca de 1,5 μm a cerca de 8 μm. Em uma modalidade adicional, as nanopipetas 215 podem ter um comprimento mínimo L de cerca de 100 nm e um comprimento máximo L de cerca de 10 μm.[00058] In one embodiment, the nanopipettes 215 can have an average length L of about 100 nm to about 10 µm. In another embodiment, the nanopipettes 215 can have an average length L of from about 1.5 µm to about 8 µm. In a further embodiment, the nanopipettes 215 can have a minimum length L of about 100 nm and a maximum length L of about 10 µm.

[00059] Em uma modalidade, as nanopipetas 215 podem ter um comprimento mínimo L de cerca de 100 nm, cerca de 500 nm, cerca de 1 μm, cerca de 1,5 μm, cerca de 2 μm, cerca de 2,5 μm, cerca de 3 μm, cerca de 3,5 μm, cerca de 4 μm, cerca de 4,5 μm, cerca de 5 μm, cerca de 5,5 μm, cerca de 6 μm, cerca de 6,5 μm, cerca de 7 μm, cerca de 7,5 μm, cerca de 8 μm, cerca de 8,5 μm, cerca de 9 μm, cerca de 9,5 μm, ou cerca de 10 μm. Em uma outra modalidade, as nanopipetas 215 podem ter um comprimento máximo L de cerca de 100 nm, cerca de 500 nm, cerca de 1 μm, cerca de 1,5 μm, cerca de 2 μm, cerca de 2,5 μm, cerca de 3 μm, cerca de 3,5 μm, cerca de 4 μm, cerca de 4,5 μm, cerca de 5 μm, cerca de 5,5 μm, cerca de 6 μm, cerca de 6,5 μm, cerca de 7 μm, cerca de 7,5 μm, cerca de 8 μm, cerca de 8,5 μm, cerca de 9 μm, cerca de 9,5 μm, ou cerca de 10 μm.[00059] In one embodiment, the nanopipettes 215 can have a minimum length L of about 100 nm, about 500 nm, about 1 μm, about 1.5 μm, about 2 μm, about 2.5 μm , about 3 μm, about 3.5 μm, about 4 μm, about 4.5 μm, about 5 μm, about 5.5 μm, about 6 μm, about 6.5 μm, about of 7 μm, about 7.5 μm, about 8 μm, about 8.5 μm, about 9 μm, about 9.5 μm, or about 10 μm. In another embodiment, the nanopipettes 215 can have a maximum length L of about 100 nm, about 500 nm, about 1 µm, about 1.5 µm, about 2 µm, about 2.5 µm, about about 3 μm, about 3.5 μm, about 4 μm, about 4.5 μm, about 5 μm, about 5.5 μm, about 6 μm, about 6.5 μm, about 7 μm, about 7.5 μm, about 8 μm, about 8.5 μm, about 9 μm, about 9.5 μm, or about 10 μm.

[00060] Em uma modalidade, as nanopartículas de óxido de ítrio 220 podem ter um tamanho médio de partícula de cerca de 10 nm. Em uma modalidade adicional, as nanopartículas de óxido de ítrio 220 podem ser encastradas nas nanopipetas 215. Em ainda uma outra modalidade, o revestimento de cerâmica hidrofóbico 230 pode compreender o acetato de ítrio.[00060] In one embodiment, the yttrium oxide 220 nanoparticles may have an average particle size of about 10 nm. In a further embodiment, yttrium oxide nanoparticles 220 can be embedded in nanopipettes 215. In yet another embodiment, hydrophobic ceramic coating 230 can comprise yttrium acetate.

[00061] Essas nanopartículas de óxido de ítrio 220 encastradas podem melhorar a capacidade hidrofóbica da superfície 205 enquanto também conferem um desempenho robusto contra a abrasão da superfície e a deformação. Além disso, quando são usadas com o revestimento de cerâmica 230, as nanopartículas 220 podem permitir que o revestimento de cerâmica 230 cure a uma temperatura mais baixa, o que mitiga a migração atômica e outras mudanças nas propriedades mecânicas do substrato metálico.[00061] These embedded yttrium oxide nanoparticles 220 can improve the hydrophobic ability of surface 205 while also imparting robust performance against surface abrasion and deformation. Additionally, when used with the ceramic coating 230, the nanoparticles 220 can allow the ceramic coating 230 to cure at a lower temperature, which mitigates atomic migration and other changes in the mechanical properties of the metallic substrate.

[00062] Em algumas modalidades, o substrato revestido hidrofóbico 200 resultante irá exibir ângulos de contato com a água de mais de cerca de 90°, mais de cerca de 95°, mais de cerca de 100°, ou mais de cerca de 105°. O revestimento hidrofóbico terá uma espessura de mais de cerca de 50 nm, mais de cerca de 75 nm, mais de cerca de 100 nm, mais de cerca de 125 nm, mais de cerca de 150 nm, mais de cerca de 200 nm, mais de cerca de 225 nm, ou mais de cerca de 250 nm. Além disso, o revestimento hidrofóbico será robusto à degradação ambiental, à abrasão mecânica e à tensão repetida. Por exemplo, em algumas modalidades, o revestimento hidrofóbico irá exibir dureza e resistência elevadas ao ataque por ácidos e bases.[00062] In some embodiments, the resulting hydrophobic coated substrate 200 will exhibit water contact angles of greater than about 90°, greater than about 95°, greater than about 100°, or greater than about 105° . The hydrophobic coating will have a thickness of greater than about 50 nm, greater than about 75 nm, greater than about 100 nm, greater than about 125 nm, greater than about 150 nm, greater than about 200 nm, greater about 225 nm, or greater than about 250 nm. Furthermore, the hydrophobic coating will be robust to environmental degradation, mechanical abrasion and repeated stress. For example, in some embodiments, the hydrophobic coating will exhibit high hardness and resistance to attack by acids and bases.

[00063] Deve ser apreciado a partir da descrição acima que a presente invenção fornece um método escalável de aplicação de um revestimento hidrofóbico que exibe uma capacidade hidrofóbica ambientalmente robusta. Os revestimentos produzidos por estes métodos são hidrofóbicos e resistentes à degradação ambiental, à abrasão mecânica, à tensão repetido e ao ataque por ácidos e bases. Além disso, os revestimentos são suficientemente espessos para o desempenho robusto, e a temperatura de cura é suficientemente baixa para mitigar a migração atômica e outras mudanças nas propriedades mecânicas do substrato metálico. Por todas estas razões, os métodos descritos neste pedido de patente, e os revestimentos resultantes, são ideais para as aplicações de transparência aeronáuticas e automotivas.[00063] It should be appreciated from the above description that the present invention provides a scalable method of applying a hydrophobic coating that exhibits an environmentally robust hydrophobic ability. Coatings produced by these methods are hydrophobic and resistant to environmental degradation, mechanical abrasion, repeated stress and attack by acids and bases. Additionally, the coatings are thick enough for robust performance, and the cure temperature is low enough to mitigate atomic migration and other changes in the mechanical properties of the metallic substrate. For all these reasons, the methods described in this patent application, and the resulting coatings, are ideal for aeronautical and automotive transparency applications.

[00064] Os métodos, os dispositivos e os materiais específicos são descritos, embora quaisquer métodos e materiais similares ou equivalentes àqueles descritos possam ser usados na prática ou nos testes da presente invenção. A menos que esteja definido de alguma outra maneira, todos os termos técnicos e científicos usados neste pedido de patente têm os mesmos significados que são compreendidos geralmente por um elemento normalmente versado no estado da técnica à qual pertence a presente invenção.[00064] The specific methods, devices and materials are described, although any methods and materials similar or equivalent to those described may be used in the practice or testing of the present invention. Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used in this patent application have the same meanings as are generally understood by one normally versed in the state of the art to which the present invention belongs.

[00065] Tal como usado neste pedido de patente, palavras no singular tais como "um" e "uma" significam "um ou mais" a menos que uma intenção clara seja mostrada para limitar o elemento a "um." O termo "cerca de" significa ±2% do valor que modifica.[00065] As used in this patent application, singular words such as "one" and "one" mean "one or more" unless clear intent is shown to limit the element to "one." The term "about" means ±2% of the value it modifies.

[00066] Tal como usado neste pedido de patente, o termo "hidrofóbico" significa que não possui uma afinidade com a água, e uma superfície é considerada hidrofóbica quando o ângulo de contato da água é de pelo menos cerca de 80 graus.[00066] As used in this patent application, the term "hydrophobic" means that it does not have an affinity for water, and a surface is considered hydrophobic when the contact angle of water is at least about 80 degrees.

[00067] Tal como usado neste pedido de patente, o termo "solúvel em água" significa que o composto é infinitamente solúvel na água, muito solúvel na água, livremente solúvel na água, ou solúvel na água, uma vez que estes termos são normalmente compreendidos. Um material é considerado geralmente como "muito solúvel" se cerca de 1 grama do material requer cerca de 1 mililitro ou menos de soluto para se dissolver. Um material é considerado geralmente como "livremente solúvel" se cerca de 1 grama do material requer cerca de 1 mililitro a cerca de 10 mililitros de soluto para se dissolver. Um material é considerado geralmente como "solúvel" se cerca de 1 grama do material requer cerca de 10 mililitros a 30 mililitros de soluto para se dissolver. Um material é normalmente considerado como "frugalmente solúvel" se cerca de 1 grama do material requer cerca de 30 mililitros a cerca de 100 mililitros de soluto para se dissolver.[00067] As used in this patent application, the term "water soluble" means that the compound is infinitely soluble in water, freely soluble in water, freely soluble in water, or soluble in water, as these terms are normally understood. A material is generally considered to be "very soluble" if about 1 gram of the material requires about 1 milliliter or less of solute to dissolve. A material is generally considered to be "freely soluble" if about 1 gram of the material requires about 1 milliliter to about 10 milliliters of solute to dissolve. A material is generally considered to be "soluble" if about 1 gram of the material requires about 10 milliliters to 30 milliliters of solute to dissolve. A material is normally considered "sparingly soluble" if about 1 gram of the material requires about 30 milliliters to about 100 milliliters of solute to dissolve.

[00068] Sem mais elaboração, acredita-se que o versado na técnica, ao usar a descrição acima, pode produzir e usar a presente invenção até a extensão mais ampla. Outros objetivos, características e vantagens das presentes modalidades tornar-se-ão aparentes a partir dos exemplos específicos a seguir. Os exemplos específicos, embora indiquem modalidades específicas, são fornecidos apenas a título de ilustração. Por conseguinte, a presente invenção também inclui as várias mudanças e modificações dentro do caráter e do âmbito da invenção que podem se tornar aparentes aos elementos versados na técnica desta descrição detalhada. Os exemplos a seguir são apenas ilustrativos, e não são limitadores da divulgação de nenhuma maneira. EXEMPLO 1[00068] Without further elaboration, it is believed that one skilled in the art, by using the above description, can make and use the present invention to the fullest extent. Other objects, features, and advantages of the present embodiments will become apparent from the specific examples below. The specific examples, while indicating specific embodiments, are provided by way of illustration only. Accordingly, the present invention also includes the various changes and modifications within the character and scope of the invention which may become apparent to those skilled in the art from this detailed description. The following examples are illustrative only, and are not limiting the disclosure in any way. EXAMPLE 1

[00069] Uma primeira série de amostras foi preparada ao usar corpos de prova de alumínio, que tinham sido limpados com acetona. Um revestimento de cerâmica foi aplicado aos substratos de alumínio por meio de revestimento com escoamento ou aspersão. A composição de revestimento de cerâmica (para esta e todas as amostras subsequentes) incluía um composto de ítrio, uma dispersão de nanopartículas de óxido de ítrio, um polímero solúvel em água e uma solução solvente de água deionizada e um álcool solúvel em água. O substrato revestido foi tratado termicamente a cerca de 300°C por cerca de 2 horas à atmosfera ambiente. Uma ilustração da primeira série de amostras é mostrada na Figura 4, que mostra o revestimento de cerâmica 230 em uma camada de óxido de alumínio nativa 206 formada na superfície 205 do substrato de alumínio.[00069] A first series of samples was prepared using aluminum specimens, which had been cleaned with acetone. A ceramic coating was applied to the aluminum substrates via flow or spray coating. The ceramic coating composition (for this and all subsequent samples) included a yttrium compound, a dispersion of yttrium oxide nanoparticles, a water-soluble polymer and a solvent solution of deionized water and a water-soluble alcohol. The coated substrate was heat treated at about 300°C for about 2 hours at ambient atmosphere. An illustration of the first series of samples is shown in Figure 4, which shows the ceramic coating 230 on a native aluminum oxide layer 206 formed on the surface 205 of the aluminum substrate.

[00070] Uma segunda série de amostras foi preparada ao usar corpos de prova de alumínio, que tinham sido limpados com acetona. A segunda série de amostras foi sujeitada a um processo de anodização em uma solução ácida de ácido sulfúrico a 0,2 M. Para este processo, os corpos de prova de alumínio foram unidos ao ânodo e uma voltagem constante de 10 V foi aplicada por cerca de 30 minutos. Sob estas condições de anodização, uma camada nanoporosa de óxido de alumínio anodizada foi desenvolvida na superfície de alumínio. A estrutura nanoporosa incluía nanopipetas que têm um diâmetro médio de cerca de 20 nm e um comprimento médio de cerca de 1,5 μm.[00070] A second series of samples was prepared using aluminum specimens, which had been cleaned with acetone. The second series of samples was subjected to an anodizing process in an acidic 0.2 M sulfuric acid solution. For this process, aluminum specimens were joined to the anode and a constant voltage of 10 V was applied for about of 30 minutes. Under these anodizing conditions, a nanoporous layer of anodized aluminum oxide was developed on the aluminum surface. The nanoporous structure included nanopipettes that have an average diameter of around 20 nm and an average length of around 1.5 µm.

[00071] Uma terceira série de amostras foi preparada sob as mesmas condições que a segunda série de amostras, exceto pelo fato que a voltagem foi aplicada por cerca de 5 horas. Sob estas condições de anodização, uma camada nanoporosa de óxido de alumínio anodizada foi desenvolvida na superfície de alumínio, e a estrutura incluía nanopipetas que têm um diâmetro médio de cerca de 20 nm e um comprimento médio de cerca de 8 μm.[00071] A third series of samples was prepared under the same conditions as the second series of samples, except that voltage was applied for about 5 hours. Under these anodizing conditions, an anodized aluminum oxide nanoporous layer was developed on the aluminum surface, and the structure included nanopipettes that have an average diameter of about 20 nm and an average length of about 8 μm.

[00072] Uma quarta série de amostras foi preparada sob as mesmas condições que a segunda série de amostras, exceto pelo fato que a solução ácida compreendia o ácido clorídrico a 0,2 M. Sob estas condições de anodização, uma camada nanoporosa de óxido de alumínio anodizada foi desenvolvida na superfície de alumínio, e a estrutura incluía nanopipetas que têm um diâmetro médio de cerca de 50 nm e um comprimento médio de cerca de 500 nm.[00072] A fourth series of samples was prepared under the same conditions as the second series of samples, except that the acid solution comprised 0.2 M hydrochloric acid. Under these anodizing conditions, a nanoporous layer of Anodized aluminum was developed on the aluminum surface, and the structure included nanopipettes that have an average diameter of about 50 nm and an average length of about 500 nm.

[00073] As camadas anodizadas resultantes (para as segundas, terceiras e quartas amostras) exibiram um ângulo baixo de contato da água, que era consistente com o óxido de alumínio. As camadas eram resistentes à abrasão, tal como medido por testes de abrasão manual com lã de aço. Tal como mostrado na Figura 5, a microscopia eletrônica de varredura em seção transversal revela uma estrutura extremamente fina. A camada anodizada (zona 1) compreende grãos cristalinos de óxido de alumínio de elevada relação de aspecto, que são orientados perpendiculares ao substrato, e que têm um diâmetro médio de cerca de 20 nm e um comprimento médio de cerca de 8 μm.[00073] The resulting anodized layers (for the second, third, and fourth samples) exhibited a low water contact angle, which was consistent with aluminum oxide. The layers were abrasion resistant as measured by hand abrasion tests with steel wool. As shown in Figure 5, cross-sectional scanning electron microscopy reveals an extremely fine structure. The anodized layer (zone 1) comprises high aspect ratio aluminum oxide crystalline grains, which are oriented perpendicular to the substrate, and which have an average diameter of about 20 nm and an average length of about 8 µm.

[00074] Em seguida, o revestimento de cerâmica foi aplicado aos substratos de alumínio, na segunda série de amostras, por meio de revestimento com escoamento ou aspersão, e os substratos revestidos foram tratados termicamente a cerca de 300°C por cerca de 2 horas à atmosfera ambiente. Uma ilustração da segunda série de amostras é mostrada na Figura 3B, a qual mostra a camada nanoporosa de óxido de metal anódico 210 formada na superfície 205, e o revestimento de cerâmica hidrofóbico 230 ligado à camada nanoporosa 210.[00074] Then, the ceramic coating was applied to the aluminum substrates, in the second series of samples, by means of flow or spray coating, and the coated substrates were heat treated at about 300°C for about 2 hours to the ambient atmosphere. An illustration of the second series of samples is shown in Figure 3B, which shows the nanoporous anodic metal oxide layer 210 formed on the surface 205, and the hydrophobic ceramic coating 230 bonded to the nanoporous layer 210.

[00075] A primeira série de amostras, que foi revestida na superfície de alumínio nativa, foi comparada aos revestimentos tamponados com óxido de alumínio anodizado da segunda série de amostras. A tabela a seguir ilustra os resultados. Tal como é mostrado, os revestimentos de cerâmica hidrofóbicos aplicados diretamente à superfície de alumínio nativa exibiram uma qualidade variável no acabamento e na capacidade hidrofóbica da superfície. Além disso, os revestimentos de cerâmica que foram aplicados sem a camada anodizada foram removidos facilmente com a pressão manual. Por outro lado, a segunda série de amostras tinha uma superfície hidrofóbica lisa e exibiu uma resistência significativa à abrasão.

Figure img0004
[00075] The first series of samples, which were coated on the native aluminum surface, were compared to the anodized aluminum oxide buffered coatings of the second series of samples. The following table illustrates the results. As shown, hydrophobic ceramic coatings applied directly to the native aluminum surface exhibited variable quality in surface finish and hydrophobicity. Additionally, ceramic coatings that were applied without the anodized layer were easily removed with hand pressure. On the other hand, the second series of samples had a smooth hydrophobic surface and exhibited significant abrasion resistance.
Figure img0004

EXEMPLO 2EXAMPLE 2

[00076] Para uma quinta série de amostras, os corpos de prova alumínio foram limpados de acordo com os exemplos precedentes, seguido pela anodização em ácido sulfúrico a 0,2 M, a cerca de 10 V por cerca de 1 hora. Após o processo de anodização, os corpos de prova foram limpados em água deionizada. As ilustrações da superfície anodizada são mostradas nas Figuras 2A e 2B.[00076] For a fifth series of samples, the aluminum specimens were cleaned according to the preceding examples, followed by anodizing in 0.2 M sulfuric acid at about 10 V for about 1 hour. After the anodizing process, the specimens were cleaned in deionized water. Anodized surface illustrations are shown in Figures 2A and 2B.

[00077] Para uma sexta série de amostras, as etapas a seguir foram adicionadas após a anodização. Em primeiro lugar, uma solução coloidal de óxido de ítrio aquoso com um tamanho médio de partícula de 10 nm e uma carga de sólidos de 5% foi preparada. Os corpos de prova de alumínio anodizados foram então conectados eletricamente ao terminal (catódico) negativo no conjunto de eletrodeposição. Esta configuração foi selecionada devido à carga de superfície positiva natural de óxido de ítrio na solução aquosa ácida. Uma voltagem de cerca de 10 V e uma corrente de cerca de 0,1 miliampère foi mantida por cerca de 1 hora. Um acúmulo de nanopartículas adicionais tornou- se visível na superfície anodizada. Este acúmulo foi removido ao limpar a superfície com isopropanol, restando uma superfície anodizada lisa. As nanopartículas de óxido de ítrio foram encastradas na superfície anodizada tal como ilustrado na Figura 3C.[00077] For a sixth series of samples, the following steps were added after anodizing. First, a colloidal aqueous yttrium oxide solution with an average particle size of 10 nm and a solids loading of 5% was prepared. The anodized aluminum specimens were then electrically connected to the negative (cathode) terminal on the electrodeposition set. This configuration was selected due to the natural positive surface charge of yttrium oxide in the acidic aqueous solution. A voltage of about 10 V and a current of about 0.1 milliamps was maintained for about 1 hour. An accumulation of additional nanoparticles became visible on the anodized surface. This buildup was removed by wiping the surface with isopropanol, leaving a smooth anodized surface. Yttrium oxide nanoparticles were embedded in the anodized surface as illustrated in Figure 3C.

[00078] A quinta e a sexta séries foram comparadas, e a tabela a seguir ilustra os resultados. Tal como é mostrado, o teste inicial da resistência dos revestimentos realçados com nanopartículas indicou uma resistência à abrasão significativa. As superfícies eram hidrofóbicas, com os ângulos de contato da água medindo entre cerca de 80° e cerca de 90°, o que é uma redução daquele do revestimento de cerâmica hidrofóbico da segunda série de amostras. Isto se deve presumivelmente devido à cobertura incompleta da superfície com óxido de ítrio. Os corpos de prova revestidos mostraram um desempenho extremamente robusto contra a abrasão da superfície e a deformação, sustentando mais de 5% de deformação sem nenhuma redução no ângulo de contato da água.

Figure img0005
Figure img0006
[00078] The fifth and sixth grades were compared, and the following table illustrates the results. As shown, initial resistance testing of nanoparticle enhanced coatings indicated significant abrasion resistance. The surfaces were hydrophobic, with water contact angles measuring between about 80° and about 90°, which is a reduction from that of the hydrophobic ceramic coating of the second series of samples. This is presumably due to incomplete coverage of the surface with yttrium oxide. The coated specimens showed extremely robust performance against surface abrasion and creep, sustaining greater than 5% deformation with no reduction in water contact angle.
Figure img0005
Figure img0006

EXEMPLO 3EXAMPLE 3

[00079] Para uma sétima série de amostras, os corpos de prova de alumínio foram limpados, anodizados e revestidos com o revestimento de cerâmica de acordo com o processo esboçado para a segunda série de amostras. O revestimento de cerâmica foi curado a cerca de 300°C.[00079] For a seventh series of samples, the aluminum specimens were cleaned, anodized and coated with the ceramic coating according to the process outlined for the second series of samples. The ceramic coating was cured at approximately 300°C.

[00080] Para uma oitava série de amostras, os corpos de prova de alumínio foram preparados em uma configuração idêntica à sétima série de amostras, mas com uma cura a 200°C reduzida.[00080] For an eighth series of samples, the aluminum specimens were prepared in an identical configuration to the seventh series of samples, but with a reduced 200°C cure.

[00081] Para uma nona série de amostras, os corpos de prova de alumínio foram preparados em uma configuração idêntica à oitava série de amostras. No entanto, antes que o revestimento de cerâmica hidrofóbico fosse aplicado, os corpos de prova anodizados foram catodizados em uma dispersão coloidal de nanopartículas de óxido de ítrio, tal como descrito acima em relação à sexta série de amostras. Uma ilustração da nona série de amostras é mostrada na figura 3A, que mostra a camada nanoporosa de óxido de metal anódico 210 formada na superfície 205, as nanopartículas de óxido de ítrio 220 encastradas na camada nanoporosa 210, e o revestimento de cerâmica hidrofóbico 230 ligado à camada nanoporosa 210. Com referência à Figura 6, a nona série de amostras exibiu um ângulo de contato da água maior do que ou igual a cerca de 90°.[00081] For a ninth series of samples, the aluminum specimens were prepared in an identical configuration to the eighth series of samples. However, before the hydrophobic ceramic coating was applied, the anodized specimens were cathodized in a colloidal dispersion of yttrium oxide nanoparticles, as described above in relation to the sixth series of samples. An illustration of the ninth series of samples is shown in Figure 3A, which shows the nanoporous anodic metal oxide layer 210 formed on the surface 205, the yttrium oxide nanoparticles 220 embedded in the nanoporous layer 210, and the bonded hydrophobic ceramic coating 230 to the nanoporous layer 210. Referring to Figure 6, the ninth series of samples exhibited a water contact angle greater than or equal to about 90°.

[00082] A sétima, oitava e nona séries foram comparadas, e a tabela a seguir ilustra os resultados. Tal como é mostrado, a nona série de amostras realçada com nanopartículas exibiu uma qualidade cosmética incrementada e maiores ângulos de contato da água em comparação à versão sem as nanopartículas de óxido de ítrio (oitava série) curadas à mesma temperatura. Os dados mostram que concentrações elevadas de nanopartículas de óxido de ítrio nos poros de óxido de alumínio anódico causam uma nucleação realçada sob a superfície e a supressão da temperatura de cristalização. A sétima e a nona séries de amostras tinham revestimentos de alta qualidade lisos, os quais exibiram uma capacidade hidrofóbica robusta. Portanto, a camada tamponada com óxido de alumínio anódico encastrada em nanopartículas permite para uma cura a uma temperatura mais baixa para obter propriedades desejáveis similares. A temperatura mais baixa de cura mitiga a migração atômica e outras mudanças das propriedades mecânicas do substrato metálico.

Figure img0007
[00082] The seventh, eighth and ninth grades were compared, and the following table illustrates the results. As shown, the ninth series of samples enhanced with nanoparticles exhibited increased cosmetic quality and greater water contact angles compared to the version without the yttrium oxide nanoparticles (eighth series) cured at the same temperature. Data show that high concentrations of yttrium oxide nanoparticles in anodic aluminum oxide pores cause enhanced subsurface nucleation and suppression of crystallization temperature. The seventh and ninth series of samples had smooth high quality coatings, which exhibited robust hydrophobicity. Therefore, the anodic aluminum oxide buffered layer embedded in nanoparticles allows for a lower temperature cure to obtain similar desirable properties. The lower cure temperature mitigates atomic migration and other changes in the mechanical properties of the metallic substrate.
Figure img0007

[00083] A invenção foi descri ta em detalhes com referência somente às modalidades presentemente preferidas. Os elementos versados no estado da técnica irão apreciar que várias modificações podem ser feitas sem desviar da invenção. Por conseguinte, a invenção é definida somente pelas reivindicações a seguir.[00083] The invention has been described in detail with reference only to the presently preferred embodiments. Those skilled in the art will appreciate that various modifications can be made without deviating from the invention. Therefore, the invention is defined only by the following claims.

Claims (16)

1. Método de aplicação de um revestimento hidrofóbico a uma superfície de um substrato metálico, caracterizado pelo fato de que o método compreende: a anodização de uma camada nanoporosa de óxido de metal anódico na superfície; a aplicação de uma composição de revestimento de cerâmica hidrofóbica à superfície, após a anodização da superfície, por um método de aplicação selecionado do grupo que consiste em escoamento, imersão e aspersão; e o aquecimento da superfície revestida a uma temperatura de cura de 150°C a 300°C por pelo menos 2 horas; sendo que a composição de revestimento de cerâmica hidrofóbica compreende composto de ítrio e uma dispersão de nanopartículas de óxido de ítrio.1. Method of applying a hydrophobic coating to a surface of a metallic substrate, characterized in that the method comprises: anodizing a nanoporous layer of anodic metal oxide on the surface; applying a hydrophobic ceramic coating composition to the surface, after anodizing the surface, by an application method selected from the group consisting of pouring, dipping and spraying; and heating the coated surface to a curing temperature of 150°C to 300°C for at least 2 hours; wherein the hydrophobic ceramic coating composition comprises yttrium compound and a dispersion of yttrium oxide nanoparticles. 2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o substrato metálico compreende um metal selecionado do grupo que consiste em: alumínio, titânio e aço inoxidável.2. Method according to claim 1, characterized in that the metallic substrate comprises a metal selected from the group consisting of: aluminum, titanium and stainless steel. 3. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o metal compreende o alumínio.3. Method according to claim 2, characterized in that the metal comprises aluminum. 4. Método de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o óxido de metal anódico compreende óxido de alumínio anódico.4. Method according to claim 3, characterized in that the anodic metal oxide comprises anodic aluminum oxide. 5. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a anodização compreende a anodização da superfície em uma solução ácida que tem uma concentração de 0,1 M a 0,3 M, a uma voltagem anodização de 8 V a 12 V por um tempo de anodização de 20 minutos a 90 minutos.5. Method according to claim 1, characterized in that the anodizing comprises anodizing the surface in an acid solution having a concentration of 0.1 M to 0.3 M, at an anodizing voltage of 8 V to 12 V for an anodizing time of 20 minutes to 90 minutes. 6. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a solução ácida compreende um ácido selecionado do grupo que consiste em: ácido acético, ácido cítrico, cloreto de hidrogênio, ácido nítrico e ácido sulfúrico.6. Method according to claim 5, characterized in that the acid solution comprises an acid selected from the group consisting of: acetic acid, citric acid, hydrogen chloride, nitric acid and sulfuric acid. 7. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a composição de revestimento de cerâmica hidrofóbica compreende: um polímero solúvel em água; e uma solução solvente de água deionizada e um álcool solúvel em água.7. Method according to claim 1, characterized in that the hydrophobic ceramic coating composition comprises: a water-soluble polymer; and a solvent solution of deionized water and a water-soluble alcohol. 8. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a etapa de catodização de nanopartículas de óxido de ítrio sobre a superfície antes da aplicação da composição de revestimento de cerâmica hidrofóbica à superfície.8. Method according to claim 1, characterized in that it further comprises the step of catodizing yttrium oxide nanoparticles on the surface before applying the hydrophobic ceramic coating composition to the surface. 9. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a temperatura de cura é de 200°C.9. Method according to claim 8, characterized in that the curing temperature is 200°C. 10. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a catodização compreende a catodização da superfície em uma dispersão coloidal de nanopartículas de óxido de ítrio, a uma voltagem catodização de 8 V a 12 V, e a uma corrente de 0,05 miliampère a 0,15 miliampère, por um tempo de catodização de 30 minutos a 90 minutos.10. Method according to claim 8, characterized in that the cathodization comprises the cathodization of the surface in a colloidal dispersion of yttrium oxide nanoparticles, at a cathodization voltage of 8 V to 12 V, and at a current of 0 .05 milliampere to 0.15 milliampere, for a cathodization time of 30 minutes to 90 minutes. 11. Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que as nanopartículas de óxido de ítrio têm um tamanho médio de partícula de 10 nm e estão presentes em uma quantidade que varia de 2% a 10% em peso da dispersão coloidal.11. Method according to claim 10, characterized in that the yttrium oxide nanoparticles have an average particle size of 10 nm and are present in an amount ranging from 2% to 10% by weight of the colloidal dispersion. 12. Método de aplicação de um revestimento hidrofóbico a uma superfície de um substrato metálico, caracterizado pelo fato de que o método compreende: a anodização de uma camada nanoporosa de óxido de metal anódico na superfície; a catodização de nanopartículas de óxido de ítrio sobre a superfície anodizada; a aplicação de uma composição de revestimento de cerâmica hidrofóbica à superfície catodizada, por um método de aplicação selecionado do grupo que consiste em escoamento, imersão e aspersão; e o aquecimento da superfície revestida a uma temperatura de cura de 2000°C por pelo menos 2 horas; sendo que a anodização compreende a anodização da superfície em uma solução ácida que tem uma concentração de 0,2 M, a uma voltagem anodização de 10 V por um tempo de anodização de 30 minutos a 60 minutos; sendo que a catodização compreende a catodização da superfície em uma dispersão coloidal de nanopartículas de óxido de ítrio, a uma voltagem catodização de 10 V, e a uma corrente de 0,1 miliampère, por um tempo de catodização de 60 minutos; sendo que a composição de revestimento de cerâmica hidrofóbica compreende composto de ítrio e uma dispersão de nanopartículas de óxido de ítrio.12. Method of applying a hydrophobic coating to a surface of a metal substrate, characterized in that the method comprises: anodizing a nanoporous layer of anodic metal oxide on the surface; the cathodization of yttrium oxide nanoparticles on the anodized surface; applying a hydrophobic ceramic coating composition to the cathodized surface by an application method selected from the group consisting of pouring, dipping and spraying; and heating the coated surface to a curing temperature of 2000°C for at least 2 hours; wherein the anodizing comprises anodizing the surface in an acidic solution having a concentration of 0.2 M, at an anodizing voltage of 10 V for an anodizing time of 30 minutes to 60 minutes; wherein the cathodization comprises cathodizing the surface on a colloidal dispersion of yttrium oxide nanoparticles, at a cathodizing voltage of 10 V, and a current of 0.1 milliamps, for a cathodizing time of 60 minutes; wherein the hydrophobic ceramic coating composition comprises yttrium compound and a dispersion of yttrium oxide nanoparticles. 13. Método de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o metal compreende o alumínio e o óxido de metal anódico compreende óxido de alumínio anódico.13. Method according to claim 12, characterized in that the metal comprises aluminum and the anodic metal oxide comprises anodic aluminum oxide. 14. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o ácido compreende ácido sulfúrico.14. Method according to claim 13, characterized in that the acid comprises sulfuric acid. 15. Método de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que as nanopartículas de óxido de ítrio têm um tamanho médio de partícula de 10 nm e a quantidade de nanopartículas de óxido de ítrio é de 5% em peso da dispersão coloidal.15. Method according to claim 14, characterized in that the yttrium oxide nanoparticles have an average particle size of 10 nm and the amount of yttrium oxide nanoparticles is 5% by weight of the colloidal dispersion. 16. Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que a composição de revestimento de cerâmica hidrofóbica compreende ainda: álcool polivinílico em uma quantidade de 1% a 5% em peso da composição de revestimento; uma solução solvente de água deionizada e álcool isopropílico a uma razão de 2:1; sendo que o composto de ítrio compreende o acetato de ítrio; sendo que a dispersão de nanopartículas de óxido de ítrio está presente em uma quantidade que varia de 0,5% a 1% em peso da composição de revestimento.16. Method according to claim 15, characterized in that the hydrophobic ceramic coating composition further comprises: polyvinyl alcohol in an amount of 1% to 5% by weight of the coating composition; a solvent solution of deionized water and isopropyl alcohol at a ratio of 2:1; wherein the yttrium compound comprises yttrium acetate; wherein the dispersion of yttrium oxide nanoparticles is present in an amount ranging from 0.5% to 1% by weight of the coating composition.
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