Международный университет природы, общества и
человека «Дубна»»
Научно-исследовательский институт прикладной
акустики
Формирование супергидрофобных покрытий
Новичков Р.В., Дмитровская М.В., Ужинская Е.В.
Дубна, 2013 г.
Естественные гидрофобные поверхности
Поверхность многих растений и мех животных обладают
водоотталкивающими свойствами.
Эффект лотоса
Это эффект крайне низкой смачиваемости поверхности. Был открыт
немецким ботаником Вильгельмом Бартлоттом в 1990-х годах.
Вода, попадающая на поверхность листьев,
собирается в сферические капли. При
стекании с листа вода захватывает с собой
частицы
пыли,
тем
самым
очищая
поверхность растения.
Методы создания супергидрофобной поверхности
• Привитые поверхностные соединения
• Коллоидные ансамбли
• Послойное наращивание
4
Химическое модифицирование поверхности
Носитель – конформационно-жесткое, ненабухающее твердое тело;
Поверхностный слой – функциональные группы или адсорбционные центры на
поверхности носителя;
Якорная группа – ответственна за фиксацию (адгезию, специфическую
сорбцию) привитого соединения
Ножка - группа, отделяющая привитое соединение от поверхности;
Функция – группа (или группы), в которой сосредоточены свойства привитого
соединения.
Химическая прививка
силанов
• Большие значения краевого угла
смачивания (110 - 120 );
• Маленькие значения гистерезиса
смачивания (5 - 15 );
• Скорость прививки модификаторов
зависит от природы функциональных
якорных групп:
 Хлор - 1 5 минут (+ HCl↑)
 Метокси – 1 сутки
 Этокси – 3 суток
Катализатор – кислота + вода
Гидролиз
Конденсация
Образование
водородных
связей
Формирование
ковалентных
связей
Подложка
Подложка
Модификация частиц SiO2
Химические свойства частиц SiO2 определяются
поверхности силанольных и силоксановых групп.
наличием
на
Химическая модификация осуществляется за счет взаимодействия
поверхностных силанольных групп с якорными группами различных
модификаторов (перфторированных хлорсиланов, перфторированных
алкоксисиланов, алкилдисилазанов, алкилхлорсиланов и т.д.) по схеме2:
+ XnR4-nSi
SiXn-1R4-n + HX
X = NH, Cl, OR’ (R’ = алкил); R = арил, алкил, аминоалкил; n = 1 - 3
2
Spange S. Silica surface modification by cationic polymerization and carbenium intermediates // Prog. Polym. Sci., v. 25, pp. 781-849,
2000
Синтез гидрофобных наночастиц SiO2
• Формирование
наночастиц
оксида кремния осуществляется
по методу Штобера;
• Модификация
поверхности
наночастиц происходит путем
химической прививки;
• Полученные
золи
гидрофобных
наночастиц
устойчивы во времени;
• Узкое
распределение
по
размерам дисперсной фазы в
конечном коллоидном растворе;
• В зависимости от условий
проведения синтеза возможно
получить частицы от 10 до 300
нм.
Создание супергидрофобных покрытий при
использовании нанокомпозиционных смесей
• Формирование нанорельефа
происходит за счет
адсорбции наночастиц SiO2;
• Система гидрофобных
поверхностных капилляров в
сочетании с нанорельефом
обеспечивает
супергидрофобные свойства
покрытия;
• Гидрофобность покрытия
увеличивается по мере
уменьшения размеров
наночастиц.
Использование бимодального распределения
частиц для формирования супергидрофобного
нанослоя
• Первый сорбционный слой
наночастиц служит
матрицей для формирования
упорядоченного
гидрофобного нанорельефа;
• С уменьшением размера
наночастиц матрицы частота
нанорельефа возрастает, что
ведет к увеличению
супергидрофобных свойств.
Капиллярно-пористые тела
Антиотражающее действие
При использовании нанотекстурированных поверхностей для ФЭП наблюдается
увеличение КПД за счет отражения света от шероховатостей поверхности и
дополнительного поглощения.
4500
стекло с
нанопокрытием
необработанное
стекло
4000
I, отн. ед.
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
0
500
λ, нм
1000
1500
а) слева: свет падает на гладкую поверхность, частично поглощается,
частично отражается и рассеивается; справа: свет падает на
шероховатую поверхность, частично поглощается, отражается и
поглощается поверхностью ФЭП;
б) Зависимость интенсивности отраженного излучения от длины
волны;
Просветляющие свойства
P
I0
Is
I0
1
0,9
Степень просветления, отн.ед.
Степень просветления – отношение
разности интенсивностей отраженного
света необработанного и
обработанного стекла к интенсивности
отраженного света необработанного
стекла
0,8
0,7
0,6
1 слой
Ряд4
0,5
4 слоя
Ряд5
0,4
Ряд6
5 слоев
0,3
7 слоев
Ряд7
0,2
10 слоев
Ряд9
0,1
0
400
 Полученные покрытия обладают
эффектом просветления в широком
диапазоне длин волн;
 В длинноволновой области просветление
близко к 100%.
500
600
700
800
900
Длина волны, нм
Зависимость степени просветления
стекла с нанесенными
супергидрофобными нанопокрытиями
от длины волны света при различных
толщинах просветляющего слоя
(количество сорбционных слоев
гидрофобных наночастиц: 1; 4; 5; 7; 10).