Development of Nano/micro-scale Structured Polymeric Elastomer for Low Friction and Low Adhesion in Aqueous Environment

Abstract

수중 환경에서 물과 접촉하는 표면에는 마찰항력, 스케일링 등의 에너지 효율 문제뿐만 아니라 박테리아 오염 및 해양 생물 오염과 같은 다양한 오염 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위한 방안으로 표면에 초발수성과 미끄럼 특성을 부여하는 다양한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 여전히 공기층 및 윤활층이 분리되는 문제가 남아있다. 본 연구에서는 이러한 초발수 표면과 미끄럼 표면의 한계를 극복하기 위해 특별한 효과를 갖는 나노/마이크로 스케일의 구조들을 기계적인 상호 작용을 고려하여 결합하고 고분자 탄성체 패치의 표면에 형성하여 구조 간의 시너지 효과를 통해 동적인 유동 조건에서도 성능을 가질 수 있도록 유지 능력을 향상시키는 연구를 하였다. 첫째, 초발수성 하이브리드 구조를 가진 고분자 탄성체 패치는 간단한 몰딩공정, 수열 합성 및 초박막 코팅을 통해 제작되며 높은 전단 응력의 유동에서도 공기층을 유지하여 마찰 항력을 감소시킨다. 상어 비늘의 미세 구조를 모사한 마이크로 스케일의 덴티클 구조는 전단 와류에 의해 발생하는 외력을 줄여 공기층이 박리되는 것을 막아주는 반면, 높은 종횡비의 나노선 구조는 높은 모세관 힘으로 공기층을 효과적으로 유지한다. 이러한 초발수 하이브리드 구조는 우수한 발수 및 발유 특성을 가지며 염수 대한 장시간 침지나 영하의 환경에 대해서도 우수한 내구성을 갖는다. 하이브리드 구조가 형성된 탄성체 패치는 구조의 결합 효과를 통해 향상된 공기층 유지 성능을 가져 높은 전단 응력의 유동에서도 효과적으로 마찰항력을 감소 시킬 수 있다. 둘째, 수중에서 공기층 혹은 윤활층이 외력에 의해 구조 사이로 흘러 빠져나가는 것을 막아주는 닫힌 격자 구조와 높은 모세관힘을 갖는 다공성 구조를 통해 수중 저부착 표면을 구현하는 연구를 수행하였다. 고분자 탄성체 물질에 고온, 고압의 수증기를 분사시켜 서로 연결된 계층 구조의 다공성 구조를 형성하고 이를 템플릿에서 분리하여 닫힌 격자 구조를 가지며 기공 크기가 역순으로 배열된 다공성 고분자 탄성체 패치를 제작하였다. 더하여 코팅과 윤활제 주입을 통해 초발수, 미끄럼 특성을 부여 할 수 있으며 그 경우 낮은 얼음 부착력을 가짐을 확인하였다. 또한, 동적인 유동 조건에서 스케일링 및 미생물 부착 시험을 수행하여 닫힌 격자 구조와 다공성 구조가 결합하여 형성된 탄성체 패치는 우수한 윤활층의 유지를 통해 효과적인 스케일링 방지 및 항균 성능을 가질 수 있음을 확인하였다. 본 연구에서 각 미세 구조 간의 상호 작용을 고려하여 구조를 결합하고 이를 표면에 형성한 고분자 탄성체 패치를 제작하였다. 이러한 표면은 구조들의 결합에 의한 시너지 효과로 향상된 유지 성능을 보였으며 이를 통해 수중 환경에서 낮은 마찰력 및 부착력을 갖는 표면을 구현할 수 있었다.; In an aqueous environment, water–surface contact causes energy efficiency issues as well as fouling issues, such as frictional drag, scaling, bacterial fouling, and marine biofouling. A variety of studies have been performed using superhydrophobic and slippery surfaces; however, further research is required to solve the problems of air pocket and lubricant layer detachment. Here, to overcome these limitations, unique nano/micro-scale structures are combined with a polymeric elastomer patch while considering the mechanical interaction. Two combinations of rationally engineered structural designs are introduced to enhance the retention capability in a dynamic flow condition with an advanced synergic effect. First, a polymeric elastomer patch that has superhydrophobic hybrid structures is fabricated by a simple molding method followed by hydrothermal synthesis and an ultra-thin coating. These are applied to maintain the air pockets in a high shear flow, which reduces the frictional drag. Shark-skin-inspired micro-scale denticle structures reduce the external force with high shear vortices to keep the air pockets from detaching. Meanwhile, high-aspect-ratio nanowire structures effectively hold the air pockets with their high capillary force. As fabricated hybrid structure shows superior water- and oil-repellent properties and an excellent durability against long-term immersion in a salt solution and exposure in a sub-zero environment. With the structural combination effect, the effective drag reduction performances of the hybrid structured elastomer patch are verified, even under a high shear flow condition and with the enhanced air pocket retention capability. Second, the porous closed-cell structured elastomer patch is fabricated by a one-step water steaming process on the patterned template. Hierarchically interconnected porous structures are generated during the high-pressure and high-temperature water steaming method that accompanies the simultaneous cross-linking of the elastomer. By detaching the elastomer patch from the structured template, a closed-cell structure with a pore arrangement that has a reverse order in size can be obtained. Furthermore, porous closed-cell structured elastomer patches can be rendered superhydrophobic with a coating, and they can be slippery with a lubricant infusion. As a result, a fabricated superhydrophobic and slippery porous closed-cell structured elastomer patch shows water-repellency with low-adhesive properties against ice. Moreover, scaling and bacterial adhesion experiments are conducted in dynamic flow conditions and the elastomer patch with porous closed-cell structures can successively maintain its lubricant layer while demonstrating effective anti-scaling and anti-bacterial performances. In conclusion, two different combinations of structures are rationally designed while considering the interaction between each unique structural effect. The polymeric elastomer patches that are integrated with these structures have an enhanced retention capability; thus, resulting in low friction and low adhesion in an aqueous environment.