Development of a self-cleaning surface of a “glass” cover by replication processes

Abstract

The present Master thesis consists on developing a glass cover for a LiDAR sensor with self-cleaning ability and the capacity of exhibiting an excellent optical transmittance within the LiDAR sensor laser wavelength. The development of a self-cleaning glass cover with excellent transmittance has been proved to be very challenging. The first stage consisted on doing some research concerning the state of the art on creating self-cleaning surfaces, especially inspired by nature, such as the Lotus leaf. As it was chosen the injection molding process as the replication method of the microstructures present on the Lotus leaf surface, an injection mold was designed and conceived to produce testing samples. Due to the high costs associated to the production of a vast number of microstructures on steel molding inserts, silicon was adopted as the master for replication of these structures into the polymer samples. The silicon plates were developed in a partnership with the International Iberian Nanotechnology Laboratory (INL). The injection molding process was performed for four different materials: two Poly(methyl methacrylate) grades, one transparent to the visible light and one black, and two Polycarbonate grades, also one transparent and one black. Flat samples were produced with the four materials, whose characterization tests serve as a reference, and samples with different microstructures were produced with the transparent Poly(methyl methacrylate) and the black Polycarbonate, analyzing posteriorly the influence of these textures on the water contact angle and the optical transmittance. Silicon fragility, as an injection molding master, made it difficult to obtain samples, as the silicon breaks when injecting the material and ejecting the sample from the molding cavity. Due to the bits of silicon on the injected samples, there were few usable zones for testing the microstructure replication and perform the water contact angle and optical transmittance tests. However, and even though it was only possible to analyze the flat samples and the microstructured black Polycarbonate samples, the performed tests prove the expected: the presence of a microstructure similar to the Lotus leaf increases the surface water contact angle, but decreases the sample optical transmittance.

A presente dissertação de mestrado consiste em desenvolver um glass cover para um sensor LiDAR com a propriedade autolimpante e a capacidade de ter uma excelente transmitância nos comprimentos de onda do laser do sensor LiDAR. O desenvolvimento de um glass cover autolimpante com excelente transmitância foi provado como sendo bastante desafiante. A primeira etapa consistiu em fazer um levantamento do estado da arte da criação de superfícies autolimpantes, sobretudo insipiradas na natureza, como a folha de Lótus. Tendo sido escolhida a moldação de injeção como método de replicação das microestruturas presentes na folha de Lótus, um molde de injeção foi projetado e concebido para a produção de peças para teste. Devido ao custo excessivo para reproduzir grande quantidade de microestruturas em insertos moldantes em aço, o silício foi adotado como master para a replicação destas estruturas nas peças poliméricas. As placas de silício foram desenvolvidas em parceria com o Laboratório Ibérico Internacional de Nanotecnologia (INL). O processo de moldação por injeção foi efetuado para quatro materiais distintos: dois grades de Polimetilmetacrilato, um transparente na região visível e um preto, e dois grades de Policarbonato, igualmente um transparente e um preto. Foram obtidas amostras de placas lisas dos quatro materiais, cujos testes servem de referência, e amostras com várias microestruturas para o Polimetilmetacrilato transparente e para o Policarbonato preto, analisando posteriormente a influência destas texturas no ângulo de contacto com água e na transmitância ótica. A fragilidade do silício, enquanto master para moldação por injeção, dificultou a obtenção de amostras, partindo aquando injeção e extração do material da cavidade moldante. Devido aos pedaços de silício nas amostras injetadas, poucas foram as zonas onde foi possível analisar a replicação das microestruturas e efetuar os testes de medição de ângulos de contato e transmitância ótica. No entanto, os ensaios realizados, embora apenas tenha sido possível efetuar a análise para as placas lisas e para o Policarbonato preto com microestruturas, provam o esperado: a presença de uma microestrutura semelhante à encontrada na folha de Lótus contribui para o aumento do ângulo de contacto de uma superfície, no entanto, também contribui para uma diminuição da transmitância ótica.