Fabrication of Hierarchical Structures by Electrostatic Flocking for Fog Harvesting Applications

Titelangaben

Bretschneider, Felix:
Fabrication of Hierarchical Structures by Electrostatic Flocking for Fog Harvesting Applications.
Bayreuth , 2025 . - X, 114 S.
( Dissertation, 2024 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00008122

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Abstract

Nature evolved intriguing and complex structures to harvest water in arid environments. Over recent years, the scientific community investigated these structures in detail and used bioinspired and biomimetic concepts to support the freshwater infrastructure in arid regions. Since many species rely on anisotropic morphologies to efficiently transport and condense water, a fiber-based coating technique may be a promising starting point to adapt these structures. Such a well-investigated and established fiber-based coating technology is electrostatic flocking. During the electrostatic flocking process, short microfibers are accelerated in an electric field and anchored by an adhesive layer to a substrate. Due to the influence of the electrostatic field lines, the microfibers align vertically relative to the substrate.
This thesis aimed to expand the field of electrostatic flocked-based water transporting and collecting systems as well as illustrate the potential of electrostatic flocking as a simple and low-cost coating technique. Hereby, exclusively bioinspired and biomimetic concepts are utilized. However, implementing these structures in material science is generally challenging due to the complex and hierarchical structures of biological systems. Therefore, the successful implementation of bioinspired and biomimetic flock-based systems is assumed to have, on the one hand, efficient fog interception and, on the other hand, would illustrate the potential of the electrostatic flocking technique.
The thesis achieved these goals in four chapters. In the first chapter, a preliminary study was conducted to investigate the interaction of flocked substrates with water in general. Besides the specific water transport mechanism of the flocked structure, the fog interaction was investigated. It was shown that hydrophobic polyamide flock fibers captured fog droplets at the tip of the fiber, which agglomerated under continuous irrigation to larger droplets. On the other hand, the fog captured by hydrophilic viscose flock fibers led to the wetting of the water droplets along the fiber axis. The study also revealed that the pore size and fiber dimensions influenced the interaction with fog. For flocked substrates with small pore sizes, fog mainly condensed on the fiber tip, while for larger pore sizes, more of the fiber surface was exposed to the fog stream.
Based on the preliminary study, three bioinspired and biomimetic concepts were developed and implemented utilizing the distinct features of the Namib desert beetle, cactus spine, and Dandelion seed, respectively. In the second chapter, the patterned backplate of the Namib desert beetle consisting of hydrophilic spots with a hydrophobic background was adapted by utilizing a stamp to selectively apply hydrophilic viscose flock fibers on a hydrophobic electrospun nonwoven. The resulting membrane showed similar fog interaction as the backplate of the Namib desert beetle.
In the third chapter, supramolecular spines were developed based on the molecular self-assembly of 1,3,5-benzenetricarboxamides in a flocked substrate. Due to specific molecular self-assembly conditions, supramolecular spines were formed. The supramolecular spines showed unidirectional water transport capabilities similar to the natural cactus spine. This device was equally developed and characterized by Melina Weber (University of Bayreuth, Macromolecular Chemistry I, Prof. H.W. Schmidt) and the author of this thesis.
In the fourth and final chapter, polymer flock fibers with a Dandelion seed morphology were developed by a sequential flocking approach. The interaction with fog was investigated in detail, and based on these results, a fog-harvesting device was designed. The resulting fog harvesting device showed improved fog-collecting abilities due to the coalescing collecting mechanism and an improved interception compared to a reference sample.

Abstract in weiterer Sprache

Die Natur hat faszinierende und komplexe Strukturen entwickelt, um in trockenen Gebieten zu überleben. In den letzten Jahren wurden diese Strukturen eingehend untersucht und bioinspirierte und biomimetische Konzepte zum effizienten Einfangen von Nebel entwickelt, um die Trinkwasserinfrastruktur in trockenen Gebieten zu unterstützen. Hierbei basieren viele solcher biologischen Vorbilder auf anisotrope Strukturen. Daher könnte eine faserbasierte Beschichtungstechnik ein vielversprechender Ansatzpunkt zur Adaption solcher Strukturen sein. Eine etablierte und faserbasierte Beschichtungstechnologie ist die elektrostatische Beflockung. Während des elektrostatischen Beflockungsprozesses werden kurze Mikrofasern in einem elektrischen Feld beschleunigt und durch eine Klebstoffschicht auf einem Substrat verankert. Aufgrund der elektrostatischen Feldlinien richten sich die Mikrofasern vertikal zum Substrat aus.
Das Ziel dieser Arbeit wurde in zwei Hauptbereiche unterteilt: Zunächst wurde das Potenzial der elektrostatischen Beflockung zur Nebelkondensation aufgezeigt. Des weiteren wurde die elektrostatische Beflockung als eine unkomplizierte und kostengünstige Beschichtungstechnik hervorgehoben. Diese Ziele wurden simultan erreicht, indem ausschließlich bioinspirierte und biomimetische Konzepte zum Einsatz kamen. Da die Umsetzung solcher bioninspirierten und biomimetischen Strukturen in der Materialwissenschaft aufgrund des komplexen und hierarchischen Aufbaus eine Herausforderung ist, würde eine erfolgreiche Umsetzung von bioinspirierten und biomimetischen flockbasierten Systemen zum einen eine effiziente Interaktion mit Nebel ermöglichen und zum anderen das Potenzial der elektrostatischen Beflockungstechnik verdeutlichen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden diese Ziele in vier Kapiteln erreicht. Im ersten Kapitel wurde eine Vorstudie zur Untersuchung der Wechselwirkung von beflockten Substraten mit Nebel durchgeführt. Neben dem spezifischen Wassetransportmechanismus, wurde gezeigt, dass hydrophobe Polyamid-Flockfasern Nebeltröpfchen an der Faserspitze einfangen, welche bei kontinuierlicher Benebelung zu größeren Tröpfchen agglomerieren. Die Wechselwirkung von Nebeltröpfchen mit einer hydrophilen Viskoseflockfaser führt hingegen zu einer kompletten Benetzung der Faseroberfläche entlang der Faserachse. Im Rahmen der Vorversuche wurde auch der Einfluss der Porengröße des beflockten Substrats und der Flockfaserdimensionen qualitativ untersucht. Für beflockte Substrate mit einer kleinen Porengrößen kondensierte der Nebel hauptsächlich an der Faserspitze, während mit einer zunehmenden Porengrößen ein größerer Teil der Faseroberfläche vom Nebel benetzt wurde.
Auf der Grundlage der Vorstudie wurden drei bioinspirierte und biomimetische Konzepte entwickelt und umgesetzt. Das erste Konzept orientiert sich an den Merkmalen des namibischen Wüstenkäfers, wohingegen den weiteren Konzepten die Eigenschaften eines Kaktusstachels sowie Löwenzahnsamens zu Grunde liegen. Im zweiten Kapitel wurde die strukturierte Rückenplatte des namibischen Wüstenkäfers adaptiert, welche sich aus hydrophilen Flecken mit einem hydrophoben Untergrund zusammensetzt. Mit Hilfe eines Stempels wurden hydrophile Viskoseflockfasern selektiv auf ein hydrophobes elektrogesponnenes Nanofaservlies appliziert, und die Interaktion mit Nebel näher untersucht. Ähnlich zu dem natürlichen Vorbild, konnte beobachtet werden, dass sich Wassertropfen auf den Viskose Flockfasern sammeln, die dann zu größeren Tropfen wachsen bis diese von dem Substrat abtropfen.
Im dritten Kapitel wurden supramolekulare Stacheln entwickelt, die auf der Selbstassemblierung von 1,3,5-Benzoltricarboxamiden (BTAs) in einem beflockten Substrat basieren. Die supramolekularen Stacheln zeigten neben einer strukturellen auch eine funktionelle Ähnlichkeit zu dem natürlichen Vorbild und waren ebenfalls in der Lage Wasser unidirektional zu transportieren. Dieses Konzept wurde zusammen mit Melina Weber (Makromolekulare Chemie I, Prof. H.W. Schmidt) entwickelt und untersucht.
Im vierten und letzten Kapitel wurden Polymerflockfasern mit der Morphologie von Löwenzahnsamen durch einen sequenziellen Beflockungsansatz entwickelt. Dabei wurde die Wechselwirkung mit Nebel eingehend untersucht. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wurde eine Nebelsammelvorrichtung entworfen und die Nebelausbeute im Vergleich zu einer Referenzprobe quantifiziert.