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

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».