Создание гидрофобного покрытия на стеклянной поверхности

Полная исследовательская публикация __________ Старостин А.С., Вальцифер В.А., Вальцифер И.В.

и Стрельников В.Н.

Размещено на http://www.allbest.ru/

38 _______________ http://butlerov.com/ ______________ ©--Butlerov Communications. 2011. Vol.25. No.7. P.35-38.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Создание гидрофобного покрытия на стеклянной поверхности

Одним из интересных явлений в живой природе является эффект абсолютной «несмачиваемости» поверхности водой, или гидрофобность. Такие свойства проявляют поверхности некоторых растений и представителей животного мира [1].

По этой причине эффект «несмачиваемости» поверхности был назван «эффект лотоса», в честь наиболее яркого примера - листьев цветка лотоса. Для демонстрации данного эффекта на рис. 1 представлен рельеф гидрофобной поверхности в микромасштабе, и иллюстрация того, как ведет себя капля воды при попадании на нее. Видно, что капля воды касается лишь выступов рельефа, который в свою очередь покрыт гидрофобным воском, а между жидкостью и поверхностью остаются воздушные промежутки.

а)

б)

Рис. 1. Гидрофобная поверхность листа лотоса под электронным микроскопом (а) [2]; поведение капли воды на гидрофобной поверхности (б)

гидрофобный наночастица кремний оксид

Таким образом, образуется трехфазная система, где пузырьки воздуха контактируют с твердой поверхностью в окружении жидкой фазы. Именно благодаря трехфазной системе и достигаются сверхгидрофобные свойства поверхности [3].

Чтобы оценить степень гидрофобности используют такие параметры как: «угол смачивания» ѓЖ, характеризующий способность жидкости растекаться по поверхности (рис. 2) и «угол скатывания» в, характеризующий величину угла наклона поверхности к горизонту при котором капля скатывается с поверхности не оставляя влажного следа [4] (рис. 3). Соответственно, чем больше «угол смачивания» и меньше «угол скатывания», тем выше гидрофобные свойства поверхности.

Рис. 2. Угол смачивания поверхности водой

Рис. 3. Угол скатывания с наклонной поверхности

Гидрофобная поверхность обладает свойством самоочистки за счет того, что вода, скатываясь по поверхности, захватывает за собой инородные частицы, находящиеся на ней. Такие свойства особо актуальны для изделий из стекла, когда необходимо чтобы они как можно дольше оставались чистыми.

Целью работы является исследование возможности создания гидрофобного покрытия на поверхности стекла. При этом одним из наиболее важных показателей для многих стеклянных изделий является их прозрачность, и, следовательно, покрытие не должно ее нарушать.

Процесс формирования гидрофобного покрытия начинался с очистки поверхности. Образец выдерживался в этаноле в течение часа, обрабатывался в ультразвуковой бане и промывался в дистиллированной воде, после чего высушивался при 100°С в течение 10 минут.

Затем начиналось формирование покрытия методом погружения в 0.1% раствор гидрофобизатора, с различным содержанием частиц оксида кремния в виде дисперсии. Иллюстрация изменения гидрофобных свойств в зависимости от содержания оксида кремния представлена на рис. 4а.

а)

б)

Рис. 4. Иллюстрация изменения гидрофобных свойств в зависимости от степени наполнения оксидом кремния (а); изображение гидрофобного слоя при взаимодействии с водой (б)

После нанесения состава образец выдерживался 12 часов при температуре 80°С, затем нагревался до 380°С при скорости нагрева 5°С в минуту и выдерживался в течение одного часа. В качестве гидрофобизатора использовалось кремнийорганическое соединение ГКЖ-136-157 «М».

При нанесении на поверхность и термической обработке кремнийорганическое соединение вступает в реакцию с поверхностью стекла и оксидом кремния, образуя при этом гидрофобный слой. Нанодисперсные оксидные системы при этом образуют рельеф на поверхности в виде выступов. Идея заключалась в том, чтобы улучшить гидрофобные свойства состава за счет придания поверхности такого рельефа.

Рис. 5. Снимок с АСМ поверхности стекла без покрытия и перепад высот по линии 1

Рис. 6. Снимок с АСМ поверхности стекла, покрытого слоем состава с содержанием 0.01% оксида кремния и перепад высот по линии 2

Рис. 7. Снимок с АСМ поверхности стекла, покрытого слоем состава с содержанием 0.1% оксида кремния и перепад высот по линии 3

Для того чтобы показать, как изменяются гидрофобные свойства поверхности с изменением рельефа, были получены снимки поверхности с атомно-силового микроскопа (АСМ) Solver PRO-M, а так же фотографии капли воды на ней. В качестве исходного образца сделан снимок поверхности чистого стекла без покрытия (рис. 5).

На рисунке видно, что поверхность представлена в виде неровностей высотой не превышающих 12 нм и капля воды смачивает поверхность необработанного стекла, при этом «угол смачивания» составляет порядка 20°.

Далее представлен образец, снимок рельефа поверхности которого был сделан после нанесения слоя состава с содержанием оксида кремния 0.01% (рис. 6), при этом образовался рельеф с перепадом высот до 55 нм, «угол смачивания» изменился с 20° до 120°, а «угол скатывания» составил 25°. С увеличением количества наполнителя гидрофобные свойства поверхности улучшаются, но при этом нарушается оптическая прозрачность стекла.

На рис. 7 представлен образец с непрозрачным покрытием, содержащим 0.1% оксида кремния, имеющий «угол смачивания» около 150° и «угол скатывания» порядка 10°.

Получено прозрачное гидрофобное покрытие на стеклянной поверхности, имеющее «угол смачивания» 120° и «угол скатывания» 25°. В процессе исследования показано изменение «угла смачивания» и «угла скатывания» с изменением рельефа поверхности. Планируется дальнейшее изучение гидрофобных свойств покрытия на износостойкость и долговечность. При положительных результатах испытания, покрытие можно будет использовать как водоотталкивающее для автомобильных стекол, что будет способствовать улучшению видимости в дождливую погоду.

Показана принципиальная возможность создания гидрофобного покрытия на стеклянной поверхности. Установлено, что с увеличением содержания оксида кремния в составе гидрофобизатора «угол смачивания» увеличивается, а «угол скатывания» уменьшается.

Таким образом, можно сделать вывод, что рельеф, сформированный нано-частицами, улучшает гидрофобные свойства покрытия в целом.

Выводы

1. Показана возможность создания гидрофобного покрытия на стеклянной поверхности, используя кремнийорганический гидрофобизатор и нанодисперсные оксидные системы. Установлено, что с изменением рельефа поверхности изменяются ее гидрофобные свойства.

Литература

[1] C. Jeffrey Brinker. Superhydrophobic Coating. 2008.

[2] http://compnews.ru/news/news/7217.html

[3] L.B. Boinovich, A.M. Emelyanenko. Nanotechnologies in Russia. 2008. Vol.3. P.100-105.

[4] L.B. Boinovich, A.M. Emelyanenko. Russian Chemical Reviews. 2008. Vol.77. No.7. P.583-600.

Размещено на Allbest.ru