Optimization of polypropylene surface texturing with ultrafast lasers. A semi-empirical and computational methodology for wettability control
Authors:   , Molinuevo López Julen 
Published: February 2025

Over the last decades, the study of surface functionalization regarding the concept of wettability has been on the rise. The number of papers published on the modification of a surface's natural ability to retain or repel a droplet has grown exponentially from the 1980s to the present day. Through purely superficial changes in inherent material properties such as wettability, laser surface texturing has emerged as one of the most interesting technologies for applications related to the generation of superhydrophobic surfaces that promote easy cleaning or reduce the adhesion of water in liquid and/or solid state. However, the process of achieving surfaces with specific wettability properties, i.e. with a desired minimum contact angle, can consist of a large number of trial-and-error steps including:

i. Parametrization of the laser micromachining process
ii. Characterization of the introduced surface modification: topography and morphology
iii. Functional characterization of the surface.

This process must be repeated for each manufactured texture, which leads to an increase in manufacturing time, with its associated economic cost. For this reason, wettability prediction models for surfaces undergoing both physical and chemical modifications have been proposed over the last decades to reduce this cost.

In this thesis, the main objective is to provide a guide for future materials and feature geometries, showing the steps to follow to study the effect of different topographical parameters that define a texture on the contact angle, as well as introducing a simulation modelling tool to predict which type of texture and/or dimensions offer the best results. This is intended to reduce the window of dimensions to be considered and, consequently, to reduce the experimentation time. Thus, the process of selecting textures to achieve specific wettability objectives would be streamlined not only at the laboratory level but also at more relevant environments (at a more industrial levels), which could lead to throughput improvements in terms of surface functionalization.

In order to achieve the objective described above, this thesis proposes the elaboration of a Design of Experiments in which a number of textures are fabricated by means of ultrashort pulse laser technology in a polymeric material with a relatively high use in the industry such as polypropylene. Beforehand, a complete study is performed regarding the comparison between two pulse emission modes (Single Pulse and Pulse Train or Burst Mode). The main advantages and disadvantages of both operation modes have been evaluated and those parameters that allow an optimal quality/throughput ratio for the considered application have been identified. Once selected the optimal parameters, the corresponding textures have been developed. The Design of Experiments focuses on the evaluation of the probabilities of each factor in the modification of the contact angle, and a simplified prediction model obtained by regression is proposed.

The experimental results for the Design of Experiments serve as validation parameters for the simulation of wettability at different textures, performed with COMSOL Multiphysics. A finite element model is proposed with the CFD (Computer Fluidic Dynamics) module, which makes use of the union of two physics such as the kinetics of the fluid (Laminar Flow) and the identification of two different phases in a medium, divided by an interface (Two Phase Flow, Phase Field). In this case, the effect of different simulation parameters on the results is studied and the optimal mesh size is established to provide results (in terms of contact angle) similar to the experimental ones. The results allow understanding the effect of each topographical factor defining a texture on the final surface wettability and provide a map of results similar to those observed experimentally.

RESUMEN

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:

i. Parametrización del proceso de micro fabricación por láser
ii. Caracterización de la modificación superficial introducida: topografía y morfología
iii. 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 del Laminar Flow y Phase Field. En este caso, se estudia el efecto de diferentes parámetros de simulación en los resultados, los que 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.