X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Одной из наиболее значительных проблем, затрудняющих широкое практическое применение супергидрофобных поверхностей (эффективный краевой угол смачивания которых составляет более 150º) в промышленных теплообменных аппаратах, является низкая устойчивость гидрофобизирующих агентов на подложке. Типичный срок службы таких поверхностей до начала деградации составляет всего несколько суток, в отдельных случаях до ста суток [1]. Необходимо отметить, что устойчивость гидрофобного покрытия слабо зависит от метода его нанесения на подложку.

Для наиболее гидрофобных материалов угол смачивания гладкой однородной поверхности не превышает 120 градусов [2, 3, 4]. Так как угол смачивания, согласно закону Юнга, обратно пропорционально зависит от поверхностной энергии материала, то для создания высоко гидрофобных поверхностей стараются использовать вещества, обладающие минимальной поверхностной энергией. Недостатком такого подхода является низкая величина адгезии гидрофобного покрытия к подложке. В качестве характерного примера этого явления можно привести тефлоновое покрытие, наносимое на посуду, обладающее слабой стойкостью к механическому воздействию.

Задачей настоящей статьи является определение условий, при которых становится возможным создание стойких к внешним воздействиям супергидрофобных поверхностей (покрытий).

Чем ниже поверхностная энергия покрытия, тем слабее адгезионные силы, связывающие покрытие с материалом основы. В связи с этим в качестве гидрофобизирующего агента целесообразно использовать слабогидрофобное вещество или соединение, обладающее углом смачивания в диапазоне 91–92º и, соответственно, более высокой поверхностной энергией и адгезией, по сравнению с высокогидрофобными аналогами.

Супергидрофобное состояние поверхности обеспечивается при стабильном гетерогенном режиме смачивания, когда капля жидкости висит на выступах шероховатости, а внутри впадин шероховатости находится воздух. Для того, чтобы этот режим был термодинамически более выгоден, необходимо, чтобы угол смачивания при нем был ниже [5, 6], чем при гомогенном режиме, когда жидкость заполняет впадины шероховатости (рис. 1 а, б).

Рис. 1. Тип смачивания шероховатой поверхности:

а – гомогенный режим, б – гетерогенный режим

Эффективный угол смачивания θ при гетерогенном режиме определяется по уравнению Касси (1) с введенным дополнительно коэффициентом шероховатости:

,

(1)

где f – доля площади смоченной поверхности (в проекции на основание); r – коэффициент шероховатости, равный отношению полной площади всех граней шероховатости к площади граней шероховатостей в проекции на основание; θ₀ – угол смачивания, определенный по закону Юнга для данного материала поверхности.

При гомогенном режиме угол θ определяется по уравнению Венцеля (2):

(2)

На рисунке 2 приведены зависимости косинуса эффективного краевого угла от косинуса угла Юнга для поверхности при r = 1,8 и f = 0,6 при гомогенном и гетерогенном режиме смачивания, а также штрихпунктирной линией показана зависимость между этими углами при увеличении коэффициента шероховатости до 10 в гомогенном режиме. Из представленного рисунка видно, что при увеличении шероховатости поверхности краевой угол при гетерогенном режиме имеет меньшее значение, чем при гомогенном в большем диапазоне значений угла Юнга (отрезок AB при r = 1,8 и отрезок AB’ при r = 10), таким образом, с увеличением r снижаются требования к степени гидрофобности материала покрытия для реализации термодинамически выгодного гетерогенного режима смачивания.

Определим, какую величину должен иметь коэффициент шероховатости поверхности с углом Юнга 91 градус. Для этого решаем (1) при f = 0,6 и θ₀ = 91°, затем полученное значение cosθ подставляем в (2) и выражаем r. Таким образом, значение коэффициента шероховатости для данной слабогидрофобной поверхности составляет r > 23,52.

Рис. 2. Зависимость эффективного краевого угла от угла Юнга для различных режимов смачивания

Необходимо отметить, что рассмотренная поверхность не подходит под определение супергидрофобной, так как эффективный угол смачивания составляет 114°. Для увеличения эффективного угла смачивания до 150° необходимо уменьшить долю смоченной поверхности до f = 0,14 при коэффициенте шероховатости r > 49,42. Такие величины fи r характерны для поверхностей с многомодальной (бимодальной) шероховатостью [1]. На рисунке 3 показана бимодальная структура поверхности листа лотоса.

Рис. 3. Поверхность листа лотоса с различным увеличением [7]

Обобщая полученные результаты, необходимо отметить следующее. Одним из перспективных способов создания устойчивой к механическим воздействиям супергидрофобной поверхности является использование слабогидрофобного материала в качестве гидрофобизатора. Использование многомодальной шероховатости в этом случае позволяет достичь углов смачивания порядка 150 градусов и более.

Литература:

1. Бойнович, Л. Б. Гидрофобные материалы и покрытия: принципы создания, свойства и применение / Л. Б.Бойнович, А. М. Емельяненко // Успехи химии. – 2008. – №77 (7). – С. 619-638.

2. Thorpe, A.A. Poly(methylpropenoxyfluoroalkylsiloxane)s: a class of fluoropolymers capable of inhibiting bacterial adhesion onto surfaces / A.A. Thorpe, V. Peters, J.R. Smith, T.G. Nevell, J. Tsibouklis // J. Fluor. Chem. – 2000. – V.104. – P. 37-45.

3. Genzer, J. Recent developments in superhydrophobic surfaces and their relevance to marine fouling: a review / J. Genzer, K. Efimenko // Biofouling –2006. – V. 339. P. 339 – 360.

4. Nishino, T. The Lowest Surface Free Energy Based on −CF3 Alignment / T. Nishino, M. Meguro, K. Nakamae, M. Matsushita, Y. Ueda // Langmuir. – 1999. – V.15. – I.13. P. 4321 – 4323.

5. Marmur, A. Wetting on Hydrophobic Rough Surfaces: To Be Heterogeneous or Not To Be? / A. Marmur // Langmuir. – 2003. V.19. P. 8343-8348.

6. Marmur, A. The Lotus Effect: Superhydrophobicity and Metastability / A. Marmur // Langmuir. – 2004. V.20. P. 3517-3519.

7. Ensikat, H. J. Superhydrophobicity in perfection: the outstanding properties of the lotus leaf / H. J. Ensikat, P. Ditsche-Kuru, C. Neinhuis, W. Barthlott // Beilstein Journal of Nanotechnology. – 2011. V. 2. P. 152-161

Код для цитирования: Скопировать