ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СУПЕРГИДРОФОБНОСТИ ШЕРОХОВАТЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
А1, 1
1 Киевский национальный университет Украины
«Киевский политенический институт»
03056, Киев, пр. Победы, 37, корп. 21, к. 504
*****@***com
Супергидрофобные материалы, которые не смачиваются водой и образуют краевой угол выше 1500 и гистерезис менее 100, находят широкое применение в качестве покрытий, обеспечивающих самоочищающиеся способности, устойчивость к водопоглощению, биозагрязнениям, коррозии, а так же являются перспективными для использования в микрофлюидике, создании мембран, медицинских приборов и др. Множеством функциональных свойств обусловлена актуальность изучения супергидрофобности. Поэтому важной задачей является определение параметров подобного явления и методов их оценки, что позволит контролировать смачивание проектируемых покрытий.
Исследование природных супергидрофобных субстратов (листья Nelumbo, Tropaeolum, Alchemilla) привели к выводу, что способность отталкивать воду обусловлена наличием на поверхности микро - и наноразмерных шероховатостей. Капля жидкости может находиться в одном из двух граничных состояний смачивания: режиме Венцеля или Касси-Бекстера. Модель Венцеля соответствует гомогенному состоянию смачивания шероховатой поверхности. Фактор шероховатости (r) описывается отношением действительной площади поверхности к её проекции. Тогда краевой угол θ* равен произведению угла смачивания химически идентичной плоской поверхности θ и фактора шероховатости (1):
cosθ* = r∙θ, (1)
Второе граничное состояние отображает модель Касси-Бекстера, когда воздух застревает между выступами поверхности под каплей, и жидкая фаза контактирует только с верхним слоем текстуры (2):
cosθ* = f1∙cosθ1 + f2∙cosθ2, (2)
где f1 и f2 – доли площадей взаимодействия жидкости с твердой и газообразной фазами, соответственно; θ1 и θ2 – углы на границе раздела двух контактирующих фаз. Когда капля жидкости полностью смачивает поверхность (f1 = 0, f2 = r) уравнение Касси-Бекстера переходит в уравнение Венцеля.
Очевидно, что изменение текстуры позволяет достичь высоких значений краевого угла смачивания, характеризующих явление супергидрофобности. Однако значение краевого угла более 1500 не является достаточным критерием способности отталкивать воду. Вторым параметром является гистерезис краевого угла. Он представляет собой разницу между углами натекания и отекания капли. Именно в случае малой разницы, капля жидкости беспрепятственно скатывается с поверхности при минимальном наклоне. Таким образом, гистерезис является динамической характеристикой смачивания поверхности.
Таким образом, для получения супергидрофобных покрытий необходимо регулировать геометрические параметры текстуры поверхности. Достижение необходимой топографии для обеспечения супергидрофобности определяется состоянием смачивания Касси-Бекстера, которое предлагается характеризовать динамическим параметром – гистерезисом краевого угла. Вынесенные положения планируется применять при проектировании супергидрофобных полимерных композиционных материалов, полученных путем введения в полимерную матрицу наполнителей с разным размером и формой частиц в критической концентрации.
