Исследование возможности создания анизотропных высокогидрофобных полимерных поверхностей с использованием ионно-трековой технологии

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В последние два десятилетия создание и исследование супергидрофобных наноматериалов, основанных на “эффекте лотоса”, привлекает большой интерес. Эффект обусловлен явлением гетерогенного смачивания шероховатых поверхностей, при котором впадины на поверхности заполнены воздухом (паром), а вода контактирует лишь с вершинами выступов. Капля образует на поверхности сферу и при небольшом наклоне скатывается, захватывая с собой частицы грязи. Для получения таких материалов разработано большое разнообразие методов, в том числе рассматриваются возможности ионно-трековой технологии (ИТТ). Целью работы было исследование смачиваемости микрорельефа поверхности на примере двух материалов, различающихся изначальной степенью гидрофобности. Модификацией поверхности пленок поликарбоната и полипропилена с помощью ИТТ были получены образцы с максимальными углами смачивания водой 140 ± 5° и 151 ± 5° соответственно. Показано, что такие углы характерны для микрорельефа, на котором доля f соприкасающейся с каплей поверхности снижена до диапазона 0 < f < 0.3. Для увеличения вероятности скатывания капель с поверхности материала в определенном направлении были получены материалы с наклонным микрорельефом. В этом случае смачиваемость становится анизотропной. Капля теряет сферическую форму, деформируясь в направлении наклона игольчатых элементов рельефа. Установлено, что анизотропия смачиваемости выше при угле наклона элементов рельефа 45°, чем при 30° (относительно плоской поверхности).

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

М. А. Кувайцева

Объединенный институт ядерных исследований

Автор, ответственный за переписку.
Email: kuvaytseva@jinr.ru
Россия, Дубна

П. Ю. Апель

Объединенный институт ядерных исследований

Email: kuvaytseva@jinr.ru
Россия, Дубна

Список литературы

  1. Blossey R. Self-cleaning surfaces – virtual realities // Nature Materials 2. 2003. P. 301−306. https://doi.org/10.1038/nmat856
  2. Бойнович Л.Б., Емельяненко А.М. Гидрофобные материалы и покрытия: принципы создания, свойства и применение // Успехи химии. 2008. Т. 77. № 7. С. 619–638.
  3. Yan Y.Y., Gao N., Barthlott W. Mimicking natural superhydrophobic surfaces and grasping the wetting process: A review on recent progress in preparing superhydrophobic surfaces // Adv. in Coll. and Int. Science. 2011. V. 169. № 2. P. 80–105. https://doi.org/10.1016/j.cis.2011.08.005
  4. Кийко П.И., Черных Т.Н., Ульрих Д.В., Криушин М.В. Механизмы создания самоочищающихся строительных материалов // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2021. № 6. С. 61–69. https://doi.org/10.32683/0536-1052-2021-750-6-61-69
  5. Шилова О.А., Цветкова И. Н., Красильникова Л.Н., Ладилина Е.Ю., Любова Т.С., Кручинина И.Ю. Синтез и исследование супергидрофобных, антиобледенительных гибридных покрытий // Транспортные системы и технологии. 2015. Т. 1. № 1. С. 91–98.
  6. Бойнович Л.Б., Емельяненко А.М. Методы борьбы с обледенением ЛЭП: перспективы и преимущества новых супергидрофобных покрытий // Электро. 2011. № 6. С. 9–17.
  7. Красильникова Л.Н., Цветкова И.Н., Окованцев А.Н., Шилова О.А. Органосиликатные покрытия как современный способ противодействия обледенению // Физика и химия стекла. 2018. Т. 44. С. 97. https://doi.org/10.31857/S0132665120010114
  8. Уколов А.И., Попова Т.Н. Эффективность применения коммерческих супергидрофобных покрытий в приложениях морской индустрии // Коллоид. журн. 2022. Т. 84. № 4. С. 475–487. https://doi.org/10.31857/S0023291222600614
  9. Бойнович Л.Б. Супергидрофобные покрытия – новый класс полифункциональных материалов // Вестник РАН. 2013. Т. 83. № 1. С. 10–22. https://doi.org/10.7868/S0869587313010039
  10. Chiou N.R., Lu C., Guan J., Lee L.J., Epstein A.J. Growth and alignment of polyaniline nanofibres with superhydrophobic, superhydrophilic and other properties // Nat. Nanotechnol. 2007. V. 2. № 6. P. 354–357. https://doi.org/10.1038/nnano.2007.147
  11. Wang Z., Ci L., Chen L., Nayak S., Ajayan P. M., Koratkar N. Polarity-dependent electrochemically controlled transport of water through carbon nanotube membranes // Nano Lett. 2007. V. 7. № 3. P. 697–703. https://doi.org/10.1021/nl062853g
  12. Tsougeni K., Tserepi A., Boulousis G., Constantoudis V., Gogolides E. Tunable poly(dimethylsiloxane) topography in O2 or Ar plasmas for controlling surface wetting properties and their ageing // Jpn. J. Appl. Phys. Part 1. 2007. V. 46. № 2R. P. 744. https://doi.org/10.1143/JJAP.46.744
  13. Nakajima A., Hashimoto K., Watanabe T., Takai K., Yamauchi G., Fujishima A. Transparent superhydrophobic thin films with self-cleaning properties // Langmuir. 2000. V. 16. № 17. P. 7044–7047. https://doi.org/10.1021/la000155k
  14. Кравец Л.И., Ярмоленко М.А., Рогачев А.В., Гайнутдинов Р.В., Алтынов В.А., Лизунов Н.Е. Формирование на поверхности трековых мембран гидрофобных и супергидрофобных покрытий с целью создания композиционных мембран для опреснения воды // Коллоид. журн. 2022. Т. 84. № 4. С. 433–452. https://doi.org/10.31857/S0023291222040085
  15. Li M., Zhai J., Liu H., Song Y., Jiang Y., Zhu D. Electrochemical deposition of conductive superhydrophobic zinc oxide thin films // J. Phys. Chem. B. 2005. V. 107. № 37. P. 9954–9957. https://doi.org/10.1021/jp035562u
  16. Bravo J., Zhai L., Wu Z., Cohen R.E., Rubner M.F. Transparent superhydrophobic films based on silica nanoparticles // Langmuir. 2007. V. 23. № 13. P. 7293–7298. https://doi.org/10.1021/la070159q
  17. Li Y., Li C., Cho S.O., Duan G., Cai W. Silver hierarchical bowl-like array: Synthesis, superhydrophobicity, and optical properties // Langmuir. 2007. V. 23. № 19. P. 9802–9807. https://doi.org/10.1021/la700847c
  18. Oner D., McCarthy T.J. Ultrahydrophobic surfaces. Effects of topography length scale on wettability // Langmuir. 2000. V. 16. № 20. P. 7777–7782. https://doi.org/10.1021/LA000598O
  19. Wang M.F., Raghunathan N., Ziaie B. A nonlithographic top-down electrochemical approach for creating hierarchical (micro−nano) superhydrophobic silicon surfaces // Langmuir. 2007. V. 23. № 5. P. 2300–2303. https://doi.org/10.1021/la063230l
  20. He B., Patankar N., Lee J. Multiple equilibrium droplet shapes and design criterion for rough hydrophobic surfaces // Langmuir. 2003. V. 19. № 12. P. 4999–5003. https://doi.org/10.1021/la0268348
  21. Sheng X., Zhang J. Directional motion of water drop on ratchet-like superhydrophobic surfaces // Applied Surface Science. 2011. V. 257. № 15. P. 6811–6816. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2011.03.002
  22. Xu Q., Wang J., Smith I., Sanderson K. Directing the transportation of a water droplet on a patterned superhydrophobic surface // Applied Physics Letters. 2008. V. 93. P. 233112. https://doi.org/10.1063/1.3039874
  23. Malvadkar N., Hancock M., Sekeroglu K. et al. An engineered anisotropic nanofilm with unidirectional wetting properties // Nature Mater. 2010. V. 9. № 12. P. 1023–1028. https://doi.org/10.1038/nmat2864
  24. Spohr R. Ion tracks and microtechnology. Basic principles and applications. Wiesbaden, Germany: Vieweg, 1990.
  25. Apel P. Track etching technique in membrane technology // Radiat. Measurements. 2001. V. 34. № 1–6. P. 559–566. https://doi.org/10.1016/S1350-4487(01)00228-1
  26. Ramos S., Charlaix E., Benyagoub A., Toulemonde M. Wetting on nanorough surfaces // Physical Review E. 2003. V. 67. № 3. P. 31604. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.67.031604
  27. Ramos S., Canut B., Benyagoub A. Nanodesign of superhydrophobic surfaces // Journal of Applied Physics. 2009. V. 106. P. 024305. https://doi.org/10.1063/1.3176484
  28. Spohr R., Sharma G., Forsberg P., Karlsson M, Hallen A., Westerberg L. Stroke asymmetry of tilted superhydrophobic ion track textures // Langmuir. 2010. V. 269. № 9. P. 6790–6796. https://doi.org/10.1021/la904137t.
  29. Apel P., Schulz A., Spohr R., Trautmann C., Vutsadakis V. Tracks of very heavy ions in polymers // Nuclear Inst. and Methods in Physics Research B. 1997. V. 131. № 1–4. P. 55–63. https://doi.org/10.1016/S0168-583X(97)00389-3
  30. Enge W., Grabisch K., Dallmeyer L., Bartholoma P., Beaujean R. Etching behaviour of the lexan polycarbonate plastic detector // Nuc. Instr. And Meth. 1975. № 127. P. 125–135. https://doi.org/10.1016/0029-554X(75)90312-2
  31. Fleischer R., Price P., Walker R. Nuclear tracks in solids. California Press, 1973.
  32. Митрофанов А.В. Кинетика травления трековых мембран с высокой пористостью // Препринт ФИАН им. П.Н. Лебедева. 2003. № 29. C. 1–48.
  33. Апель П.Ю. Температурные эффекты (влияние температуры травления и отжига после облучения) при регистрации тяжелых заряженных частиц в полипропилене // Приборы и техника эксперимента. 1994. № 6. С. 80–84.
  34. Apel P.Yu., Blonskaya I.V., Dmitriev S.N., Orelovitch O.L., Sartowska B. Structure of polycarbonate track-etch membranes: Origin of the “paradoxical” pore shape // J. Membr. Sci. 2006. № 282. № 1–2. P. 393–400. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2006.05.045
  35. Ziegler О., Biersack J., Littmark U. The stopping and range of ions in solids. New York: Pergamon, 1985. https://www.solidworks.com/
  36. Кравец Л.И., Дмитриев С.Н., Апель П.Ю. Получение и свойства полипропиленовых трековых мембран // Химия высоких энергий. 1997. Т. 31. № 2. С. 108–113.
  37. Blonskaya I. V., Kristavchuk O.V., Nechaev A. N., Orelovich O.L., Polezhaeva O.A., Apel P.Y. Observation of latent ion tracks in semicrystalline polymers by scanning electron microscopy // J. Appl. Polym. Sci. 2021. V. 138. № 8. P. 49869. https://doi.org/10.1002/app.49869
  38. Apel P.Y. Track-etching. In encyclopedia of membrane science and technology; Hoek E.M.V., Tarabara V.V., Eds. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons. 2013. P. 332–355. https://doi.org/10.1002/9781118522318.emst040
  39. Briggs D., Brewis D.M., Konieczo M.B. X-ray photoelectron spectroscopy studies of polymer surfaces. Part 1 Chromic acid etching of polyolefins // J. Mater. Sci. 1976. V. 11. P. 1270–1277. https://doi.org/10.1007/BF00545146
  40. Li J., Maekawa Y., Yamaki T., Yoshida M. Chemical modification of a poly(ethylene terephthalate) surface by the selective alkylation of acid salts // Macromol. Chem. Phys. 2002. V. 203. № 17. P. 2470–2474. https://doi.org/10.1002/macp.200290023
  41. Korolkov I., Yeszhanov A.B., Gorin Y.G. et al. Hydrophobization of PET track-etched membranes for direct contact membrane distillation // Mater. Res. Express. 2018. V. 5. № 6. P. 065317. https://doi.org/10.1088/2053-1591/aacc39
  42. Русанов А.И. К теории смачивания упругодеформируемых тел // Коллоидный журнал. 1977. Т. XXXIX. № 4. С. 704–717.
  43. Dutt S., Apel P., Lizunov N., Notthoff C., Wen Q., Trautmann C., Mota-Santiago P., Kirby N., Kluth P. Shape of nanopores in track-etched polycarbonate membranes // Journal of Membrane Science. 2021. V. 638. P. 119681. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2021.119681
  44. Hernandez A., Martinez-villa F., Ibañez, J.A., Arribas J.I., Tejerina A.F. An experimentally fitted and simple model for the pores in nuclepore membranes // Separation Science and Technology. 1986. V. 21. № 6–7. P. 665–677. https://doi.org/10.1080/01496398608056142
  45. Abdelsalam M., Barlett P., Kelf T., Baumberg J. Wetting of regularly structured gold surfaces // Langmuir. 2005. V. 21. № 5. P. 1753-1757. https://doi.org/10.1021/la047468q
  46. Herminghaus S. Roughness-induced non-wetting // Europhys. Lett. 2000. V. 52. № 2. P. 165–170. https://doi.org/10.1209/epl/i2000-00418-8
  47. Marmur A. From hygrophylic to superhygrophobic: Theoretical conditions for making high-contact-angle surfaces from low-contact-angle materials // Langmuir. 2008. V. 24. № 14. P. 7573–7579. https://doi.org/10.1021/la800304r
  48. Whyman G., Bormashenko E. How to make the Cassie wetting state stable? // Langmuir. 2011. V. 27. № 13. P. 8171–8176. https://doi.org/10.1021/la2011869
  49. Ou J., Fang G., Li W., Amirfazli A. Wetting transition on textured surfaces: A thermodynamic approach // J. Phys. Chem. C. 2019. V. 123. № 39. P. 23976–23986. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b05477
  50. Ерофеев Д.А., Машляковский Л.Н. Получение и применение гидрофобных полиуретановых кремнийсодержащих покрытий. Часть 1: Основы явления гидрофобности (обзор) // Изв. СПбГТИ(ТУ). 2022. Т. 62. С. 58–65. https://doi.org/10.36807/1998-9849-2022-62-88-58-65
  51. Li S., Li H., Wang X., Song Y., Liu Y., Jiang L., Zhu D. Super-hydrophobicity of large-area honeycomb-like aligned carbon nanotubes // J. Phys. Chem. B. 2002. V. 106. № 36. P. 9274–9276. https://doi.org/10.1021/jp0209401
  52. Cheng Y.-T., Rodak D. E. Is the lotus leaf superhydrophobic? // Appl. Phys. Lett. 2005. V. 86. P. 144101. https://doi.org/10.1063/1.1895487
  53. Otten A., Herminghaus S. How plants keep dry: A physicist’s point of view // Langmuir. 2004. V. 20. № 6. P. 2405–2408. https://doi.org/10.1021/la034961d
  54. Extrand C.W. Model for contact angles hysteresis on rough and ultraphobic surfaces // Langmuir. 2002. № 18. P. 7991–7999. https://doi.org/10.1021/la025769z
  55. Иваненко И. А., Гульбекян Г. Г., Казаринов Н. Ю., Калагин И. В., Франко Й. Создание магнитной системы нового изохронного циклотрона ДЦ-140 на основе электромагнита ДЦ-72 // Письма в ЭЧАЯ. Физика и техника ускорителей. 2020. Т. 17. № 4 (229). С. 463–467.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Геометрия травления трека в однородном материале с высокой (а) и низкой (б) избирательностью [29]. Форма образующегося при травлении трека углубления определяется соотношением скоростей травления вдоль трека (VT) и травления неповрежденного материала (VB), а также длиной пробега частицы в материале. R – пробег иона в материале, φ – угол при вершине вытравливаемого конуса (определяется величиной избирательности травления φ = 2 arcsin V). В случае (а) угол φ принимается пренебрежимо малым

Скачать (95KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Формирование шероховатых поверхностей и их постепенная эволюция при травлении перпендикулярного массива треков с высокой (а) и низкой (б) избирательностью травления. Обозначения поясняются в тексте

Скачать (171KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Формирование шероховатых поверхностей при травлении наклонного массива треков с высокой (а) и низкой (б) избирательностью травления

Скачать (87KB)
Метаданные
5. Рис. 4. а) способы измерения краевых углов, вид сверху (стрелкой указана горизонтальная проекция направления рельефа образца); б) измеряемые углы на анизотропной поверхности полимера при втором способе измерения: θL – КУ слева, θR – КУ справа

Скачать (102KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Характеристики рельефов, полученных при травлении поликарбоната, облученного под углом 90° (а, б) и 45° (в, г). а, в) зависимости краевых углов от времени травления (гладкие кривые проведены от руки); б, г) зависимости доли оставшейся поверхности от времени травления: 1 – экспериментальные данные, 2 – аппроксимирующие кривые, построенные при значениях VB = (2.15 ± 0.16) × 10–6 (б) и (1.79 ± 0.18) × 10–6 см/мин (г). Здесь и в подписи рис. 8 указаны два стандартных отклонения для величины VB. На графике (в) приведены значения КУ слева (1) и справа (2)

Скачать (254KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Электронные фотографии микроструктурированных поверхностей, полученных при травлении поликарбоната, облученного ионами под углом 45° в течение: 10 (а), 20 (б), 30 (в) и 40 (г) мин. Размер масштабной черты 10 мкм (а–г)

Скачать (178KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Фотография капли на анизотропной поверхности поликарбоната. В верхней части изображения виден конец иглы, относительно которого капля самопроизвольно сдвинулась влево

Скачать (38KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Характеристики рельефов, полученных при травлении полипропилена, облученного под углом 45° (а, б) и 30° (в, г). а, в) зависимости краевых углов от времени травления. Гладкие кривые проведены от руки. На графиках приведены значения КУ слева (1) и справа (2). б, г) зависимости доли оставшейся поверхности от времени травления: 1 – экспериментальные данные, 2 – аппроксимирующие кривые, построенные при значениях VB = (4.98 ± 0.22) × 10–6 (б) и (4.98 ± 0.28) × 10–6 см/мин (г)

Скачать (277KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Электронные фотографии микроструктурированных поверхностей, полученных травлением полипропилена, облученного под углом 45° (а–г) и 30° (д–з). Время травления: 20 (а), 30 (д), 40 (б, е), 50 (ж), 60 (в), 75 (г) и 80 (з) мин. а–г) изображения сколов; д–з) фронтальные поверхности. Размер масштабной черты 20 мкм (а–г) и 10 мкм (д–з)

Скачать (413KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Электронные микрофотографии подвергнутых химическому травлению в течение 20 мин необлученных поликарбоната (а) и полипропилена (б). Образцы наклонены под углом 45° к электронному пучку

Скачать (353KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Срез поликарбонатной пленки с параллельными “трековыми” каналами. Плотность треков 2 × 104 см–2

Скачать (61KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Профиль левой и правой сторон нижней части капли на поверхности, имеющей игольчатые элементы шероховатости

Скачать (57KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024