Optimization of polypropylene surface texturing with ultrafast lasers. A semi-empirical and computational methodology for wettability control

Durante las últimas décadas, el estudio de la funcionalización de superficies en lo que respecta al concepto de mojabilidad ha ido in crescendo. El número de artículos publicados en relación a la modificación de la capacidad natural de una superficie a retener o repeler una gota ha crecido de forma exponencial desde los años 80 hasta hoy en día. A través de cambios exclusivamente superficiales de propiedades inherentes del material como es la mojabilidad, se ha demostrado que el texturizado por láser de una superficie es una de las tecnologías con mayor interés en aplicaciones relacionadas con la generación de superficies superhidrófobas que fomentan la fácil limpieza o que logran reducir la adherencia del agua en estado líquido y/o sólido. 

Sin embargo, el proceso para lograr superficies con propiedades de mojabilidad específicas, es decir, con un ángulo de contacto mínimo deseado, puede consistir en un gran número de pasos de prueba y error que incluyen: 

• Parametrización del proceso de micro fabricación por láser 
• Caracterización de la modificación superficial introducida: topografía y morfología 
• Caracterización funcional de la superficie.

Este proceso se tiene que repetir para cada textura fabricada, lo cual conlleva un aumento del tiempo de fabricación, con su coste económico asociado. Por esta razón, durante las últimas décadas se han propuesto modelos de predicción de mojabilidad en superficies sometidas a modificaciones tanto físicas como químicas para reducir este costo. 

En esta tesis, el objetivo principal es proporcionar una guía para futuros materiales y geometrías, en la que se muestre los pasos a seguir para estudiar el efecto de diferentes parámetros que definen una textura en el ángulo de contacto, además de introducir una herramienta de modelado por simulación para predecir qué tipo de textura y/o dimensiones ofrecen mejores resultados. 

Con esto se pretende reducir la ventana de dimensiones a considerar y, por consiguiente, reducir el tiempo de experimentación. De este modo, el proceso de selección de texturas para lograr objetivos específicos de mojabilidad se vería agilizado no solo a nivel de laboratorio sino también enfocándolo a niveles más industriales, con el que se podría lograr mejoras en la productividad en términos de funcionalización de superficies. 

A fin de lograr el objetivo descrito anteriormente, en la presente tesis se propone la elaboración de un Diseño de Experimentos en el que se fabrican un número de texturas mediante tecnología láser de pulso ultracorto en un material polimérico con un uso relativamente alto en la industria como es el polipropileno. 

Previamente, se realiza un completo estudio comparativo entre dos modos de emisión de pulsos (pulso único y tren de pulsos o modo ráfaga). Se han evaluado las principales ventajas e inconvenientes de ambos modos de operación y se han identificado aquellos parámetros que permiten una óptima relación calidad/rendimiento para la aplicación considerada. Una vez seleccionados los parámetros óptimos, se han desarrollado las texturas correspondientes. El Diseño de Experimentos se centra en la evaluación de las probabilidades de cada factor en la modificación del ángulo de contacto, y se propone un modelo de predicción simplificado obtenido por regresión. 

Los resultados experimentales para el Diseño de Experimentos sirven como parámetros de validación para la simulación de la mojabilidad en diferentes texturas, realizada con COMSOL Multiphysics. Se propone un modelo de elementos finitos con el módulo de CFD (del inglés, Computer Fluidic Dynamics), en el cual se hace uso de la unión de dos físicas como son la cinética del fluido (Laminar Flow) y la identificación de dos fases diferentes en un medio, dividido por una intercara (Two Phase Flow, Phase Field). En este caso, se estudia el efecto de diferentes parámetros de simulación en los resultados y se establece el tamaño de mallado óptimo que permite proporcionar resultados (en lo que respecta al ángulo de contacto) similares a los experimentales. Los resultados permiten entender el efecto de cada factor que define una textura en la mojabilidad final y proporciona un mapa de resultados similares a los observados experimentalmente.