Сверхгидрофобные нанопокрытия

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

Гимназия 10

Осадчая Алена Александровна

СВЕРХГИДРОФОБНЫЕ НАНОПОКРЫТИЯ

Направление секции: Перспективные композиционные материалы, наноматериалы

Проектно-исследовательская работа

Научный руководитель: учитель физики, Руденко Р.Ю.

Красноярск – 2012

1. Введение……………………………………………………………..

3

1.2. Постановка и формулировка проблемы………………………….

3

1.3. Разработанность проблемы………………………………………

3

2.Основное содержание……………………………………………….

5

2.1. Цели работы ………………………………………………………

5

2.2. Основные задачи………………………………………………….

5

2.4 Результаты………………………………………………………….

6

3. Заключение………………………………………………………….

9

4. Список литературы ………………………………………………..

10

1. ВВЕДЕНИЕ

1.2 ПОСТАНОВКА И ФОРМУЛИРОВКА ПРОБЛЕМЫ

Практически все поверхности находящиеся на открытом воздухе подвержены негативному воздействию загрязнителей на водной основе в результате чего возникают такие проблемы как коррозия или механическое загрязнение поверхностей; так же возможны эффекты оледенения, возникающие в результате контакта поверхности с переохлажденной водой, последствия которых приводят к огромному ущербу.

1.3 РАЗРАБОТАННОСТЬ ПРОБЛЕМЫ

Защита от наледи на дорогах, линиях ЛЭП и обшивке самолетов может быть всего в несколько нанометров толщиной. Международная группа исследователей, возглавленная учеными из Питтсбургского университета, опубликовала на страницах ноябрьского выпуска журнала Американского химического общества Langmuir описание нового нанопокрытия. Оно было разработано в лаборатории Гао Ди (Di Gao), профессора химии и нефтяных технологий, работающего в Суонсоновском технологическом колледже (Swanson School of Engineering) при Питтсбургском университете. Это легко наносимое на любую твердую поверхность покрытие эффективно препятствует образованию льда.

Это исследование — первое применение на практике свойств такого бурно развивающегося ныне класса водоотталкивающих веществ, как сверхгидрофобные покрытия. Эти тончайшие пленки по структуре поверхности напоминают бороздчатые листья лотоса (Рис. 1) или капусты (Рис. 2);

\

Благодаря массе микроскопических бороздок уменьшается площадь поверхности, к которой могут пристать молекулы воды. Поскольку свойства льда отличаются от свойств воды, способность отталкивать воду не может легко быть примененной к торможению обледенения.

Группа обнаружила, что сверхгидрофобные покрытия можно составить таким образом, чтобы они предотвращали обледенение. Гао и его группа создали серии покрытия из кремнийорганической смолы с наночастицами кремния размером от 20 нанометров до 20 микрометров максимум. Они наносились на алюминиевые пластинки; затем эти конструкции обливались сильно переохлажденной водой (-20 градусов Цельсия), имитирующей дождь с гололедом.

Ученые пишут, что, хотя все покрытия с частицами кремния размером менее 10 микрометров отталкивали воду, лишь покрытия с частицами менее 50 нанометров в диаметре полностью предотвращали оледенение[3]. Столь малые размеры частиц означают и минимальный контакт с водой — вода соприкасается лишь с воздушной прослойкой между частицами и «соскальзывает» с поверхности, не замерзая. Хотя и не все сверхгидрофобные поверхности соответствуют тому составу, который исследовали в Питтсбургском университете, исследователи заключили, что любой тип покрытий с частицами того или иного размера будет отталкивать лед еще лучше, чем воду.

Американцы экспериментировали с покрытием из 50-нанометровых частиц на открытом воздухе с целью изучить его эффективность в условиях реального мира. Они покрыли исследуемым составом одну сторону алюминиевой пластинки, а другую сторону оставили чистой; на защищенной поверхности практически не было льда, противоположная сторона же полностью обледенела. Аналогичные результаты были получены на спутниковой антенне-«тарелке», где покрытая составом половина антенны не пострадала от оледенения, чистая же половина была полностью покрыта изморозью.

Гидрофобизация – процесс происходящий на молекулярном уровне и создающий совершенно новые возможности. Без существенных затрат предотвращаются процессы разрушения, а также загрязнение, высолы и т. п. Уменьшается расход лакокрасочных и пропиточных материалов, многократно уменьшается разрушительное воздействие кислот, повышается подвижность и пластичность бетона, раствора, штукатурной смеси, огнезащитные и антисептирующие составы становятся атмосферостойкими, а краски, лаки, клеи на водной основе приобретают водоотталкивающие свойства[6].

При введении современных гидрофобизаторов в растворы и бетоны, наносимые на крышу поверх уплотнителя, понижаются требования к мягкой кровле. Таким образом, гидрофобизация позволяет снизить трудоемкость, упростить и ускорить работы, отказаться от ряда сложных и дорогостоящих мероприятий по гидроизоляции. Свои качества обработанные материалы сохраняют по крайней мере в течение 10 лет при поверхностной обработке (а по косвенным данным, и до 30 лет), при объемном же внесении (глубинной пропитке) – в течение всего срока службы здания, конструкции, изделия.

Первые гидрофобизаторы появились в строительстве около 40 лет назад. Это кремнийорганические жидкости типа ГКЖ-94 (полигидросилоксановая жидкость), ГКЖ-10 (этилсиликонат натрия), ГКЖ-11 (метилсиликонат натрия). Недостатки: ГКЖ-10, ГКЖ-11 – низкие эффективность и пожаробезопастность, ГКЖ-94 – необходимость использования органических растворителей или необходимость приготовления эмульсий с ограниченным сроком действия. Эти жидкости уже исчезли со строительного рынка, теперь применяются составы нового поколения отечественного и импортного производства[7].

Ниже приведена сравнительная таблица различных гидрофобизаторов.

Сравнительная стоимость гидрофобизаторов

Гидрофобизаторы

Стоимость (руб./кг)

Расход мин. (руб./кв. м)

Расход макс. (руб./кв. м)

Силоксил

32,4

6,48

22,68

Аквасил

206

6,18

20,6

Гидрощит супер

42

5,46

21

ГСК-1

28

11,2

33,6

ГСК-2

42

16,8

50,4

Таффсил

303,94

21,28

48,6

Cerecit CO-81

100,9

15,1

40,3

Erasit IP237 10л

215,1

107,5

107,5

Erasit MSF 25л

165,7

 

 

Деюмикал

192,1

57,6

96,1

Идрокот

263,9

26,4

263,9

Хидросил

512,2

76,8

256,1

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

2.1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Разработать технологию изготовления покрытия, которое защищает поверхности от агрессивных воздействий окружающей среды и погодных условий, а так же препятствует образованию льда.

2.2 ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ

1. Выяснить существующие способы создания сверхгидрофобных покрытий, их преимущества и недостатки.

2. Разработать собственное сверхгидрофобное покрытие с функцией защиты от оледенения.

2.4 РЕЗУЛЬТАТЫ

Для выяснения причин сверхгидрофобности листьев капусты они были выращены и просканированы на сканирующем зондовом микроскопе (СЗМ) Nanoeducator в КГПУ «им. В.П. Астафьева», в результате чего выяснилось, что поверхность покрыта микроскопическими неровностями размером от 1 мкм и менее (Рис 2.)

В ходе выяснения существующих способов создания сверхгидрофобных покрытий было найдено три, принципиально отличающихся друг от друга технологии.

Первый способ был разработан Хадзимэ Киекава из фирмы „Киекава мэкки“ и Масаюки Такасима, профессор исследовательского центра университета Фукуи, считают, что сверхгидрофобное покрытие лучше делать электрохимическим способом. Основная идея метода (рис. 3) — это привычное никелирование, но с нестандартным электролитом, содержащим равномерно премешанные частицы тефлона (политетрафторэтилен, PTFE). Такой процесс можно назвать гальванической тефлонизацией поверхности.

Рис. 3.  Электролитическое совместное осаждение никеля и тефлона:1 — образование монослоя атомов Ni;2 — двойной электрический слой;3 — поры в композитном покрытии

Кстати, сам тефлон тоже имеет удивительно химически стойкую и гидрофобную поверхность, и в истории химии он стал своего рода мифом (начиная со случайности его открытия и кончая его уникальной ролью в создании ядерного оружия). С помощью такого метода можно получать покрытия с очень маленькими частицами тефлона (в диапазоне 1–100 нм), существенно меньшими, чем при обычных методах синтеза, при которых возможны покрытия в несколько мкм. Гидрофобность такой поверхности быстро увеличивается с ростом содержания тефлона — уже при 10–15 вес.% угол смачивания капли воды на таком покрытии достигает 160°. Такой метод очень интересуют специалистов по проектированию и производству электрических батарей и топливных элементов, особенно тех, которые связаны с поглощением водорода различными металлами и сплавами. Врятли такой способ покрытия поверхности может быть применим для гидрофобизации в быту из за его высокой стоимости и сложностей в процессе нанесения (покрытие наносится только в электролите на металлическую поверхность).

Второй способ получения „лотосового“ покрытия разрабатывают на факультете материаловедения университета Нагоя под руководством профессора Осаму Такай. Метод опять же известен и весьма распространён — это химическое осаждение из газовой фазы с использованием низкотемпературной плазмы. Ионы и радикалы вступают в химическую реакцию, а потом осаждаются и образуют тончайшую плёнку на обрабатываемой поверхности (рис. 4).

INCLUDEPICTURE «C:\\Users\\Николай Сергеевич\\AppData\\Local\\Temp\\Rar$DI19.496\\Синтетический лист лотоса Технология » \* MERGEFORMAT

Рис. 4.  Сверхгидрофобная поверхность из окиси кремния (угол смачивания от 150 до 160°)

Как получать саму плазму, практически не важно: можно использовать микроволновый или высокочастотный нагрев, постоянный или переменный ток, разнообразные газовые среды и т. д. Секрет метода в том, что в среду вводят микрочастицы органокремниевых соединений (полиорганосиланы), причём они могут содержать фтор (фторалкилсилан), а могут и не содержать (в последнее время интересные результаты были получены для частиц триметил-метоксилана). Регулируя условия, в которых проходит процесс, авторы получили прочную, износостойкую и одновременно прозрачную гидрофобную плёнку для многих систем. Углы смачивания микрокапель воды на таких плёнках — от 150 до 160°. Такой подход позволяет покрыть сверхгидрофобной плёнкой многие поверхности: стекло, пластик, бумагу, словом, любое покрытие, способное выдержать условия осаждения.

Интересно, что покрытие прозрачно просто потому, что оно очень тонкое, а гидрофобно потому, что поверхность оказывается покрытой микроскопическими выступами и впадинами. Причём именно правильный подбор размера этих микрошероховатостей придаёт поверхности, с одной стороны, достаточную гладкость и прозрачность, а с другой — сверхгидрофобность. Такое покрытие предполагающее химическое осаждение из газовой фазы с использованием низкотемпературной плазмы исключает возможность его использования при гидрофобизации многих объектов уже находящихся в процессе эксплуатации, так же не все вещества способны выдержать условия осаждения. О способностях такого покрытия препятствовать оледенению ничего не известно.

Третий способ был разработан в лаборатории Гао Ди (Di Gao), профессора химии и нефтяных технологий, работающего в Суонсоновском технологическом колледже (Swanson School of Engineering) при Питтсбургском университете. Результаты данной работы были опубликованы 26 сентября 2009 года. В работе было сообщено о результатах смешивания наночастиц кремния с кремнийорганическим гидрофобизатором на основе силиконовой смолы с акриловым полимером. Смешивались частицы размером 20 нм, 50 нм, 100 нм, 1 мкм и 10 мкм. Хотя все соединения проявляли сверхгидрофобность, только соединения частиц размером менее 50 нм предотвращало оледенение поверхности при контакте с переохлажденной водой температурой t=-20°С [3]. На рисунке (Рис. 5) схематичное изображения профиля контакта воды со сверхгидрофобным соединением.

Такой способ гидрофобизации поверхности может быть применим абсолютно для любых веществ так как нанесение происходит кистью и не отличается от обыкновенной покраски поверхности. Так же способность препятствовать оледенению делает его наиболее привлекательным для применения.

Так как технология получения сферических частиц кремния малых размеров достаточно сложна и дорога из-за специфики кристаллической решетки Si. предполагается использовать частицы алюминия, изготовленные методом генерации наноразмерных металлических частиц при электрическом взрыве проводников[4].

Схематичное изображение покрытия с наночастицами алюминия (Рис. 6):

Предполагается введение наночастиц Al в различные гидрофобизаторы представленные в таблице 1. Необходимо определить оптимальную концентрацию и размер наночастиц Al при которой обработанная поверхность проявляет не только сверхгидрофобные свойства но и препятствует образованию льда.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной работы было установлено, что пока не существует идеального гидрофобизатора, обладающего свойствами защиты от оледенения.

Была разработана технология изготовления гидрофобизатора на основе наночастиц алюминия, получаемых методом генерации при электрическом взрыве.

Возможными областями применения является использование на ЛЭП, ГЭС, и многих других для защиты от оледенения которое вследствие метеорологических условий может вызвать повреждение конструкций.

Возможна дополнительная область применения для предотвращения образования сосулек на крышах домов.

4.СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

«НТ-МДТ» Сканирующий зондовый микроскоп NanoEducator. 2008 г. (Учебное пособие)

В. Л. Миронов «Основы сканирующей зондовой микроскопии» М- Техносфера, 2005.

Langmuir. American Chemical Society «Anti-Icing Superhydrophobic Coatings» Liangliang Cao, Andrew K. Jones, Vinod K. Sikka, Jianzhong Wu, and Di Gao. Revised Manuscript Received September 26, 2009

Журнал технической физики, 2010, том 80, вып. 4 «Механизмы генерации наноразмерных металлических частиц при электрическом взрыве проводников» © Н.Б. Волков, А.Е. Майер, В.С. Седой, Е.Л. Фенько, А.П. Яловец

HYPERLINK «http://ru.percenta.com/nanotechnologija-effekt_lotosa.php» http://ru.percenta.com/nanotechnologija-effekt_lotosa.php

HYPERLINK «http://nanorf.ru/events.aspx?cat_id=223» http://nanorf.ru/events.aspx?cat_id=223

HYPERLINK «http://wsyachina.narod.ru/technology/index.html» http://wsyachina.narod.ru/technology/index.html

PAGE

PAGE 12

Рис. 1 Электронномикроскопический снимок поверхности листа лотоса

Рис. 2 СЗМ снимок поверхности капустного листа

Частицы Al

Гидрофобизатор

Поверхность

Рис. 5 Схематичное изображения профиля контакта воды со сверхгидрофобным соединением