Формування ефективної концентрації плівкоутворювача супергідрофобних покриттів на основі діоксиду кремнію

Автор(и)

  • Павло Володимирович Сіволапов Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0001-7303-7179
  • Олексій Володимирович Миронюк Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0003-0499-9491
  • Денис Віталійович Баклан Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0002-6608-0117
  • Тарас Олександрович Береговий Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0001-7752-0758

DOI:

https://doi.org/10.15587/2706-5448.2021.233535

Ключові слова:

супергідрофобні покриття, пірогенний діоксид кремнію, метод Оуенса-Вендта, поверхнева енергія, водовідштовхуючі поверхні

Анотація

Об'єктом дослідження роботи є гідрофобізація пірогенним діоксидом кремнію покриття на основі стирол-акрилового співполімеру й ацетат-бутирату целюлози. Гідрофобність чи гідрофільність поверхонь залежить в основному від хімічної будови поверхні та її шорсткості. Рельєфна гідрофільна поверхня буде змочуватись помітно легше, ніж плоска поверхня того самого матеріалу, і навпаки – збільшення шорсткості гідрофобів супроводжується більш ярко вираженим відштовхуванням води. Величина та кількість нерівностей в значній мірі впливають на особливості змочування досліджуваної поверхні. При поєднанні низької енергії поверхні та рельєфної структури утворюється супергідрофобна поверхня. Такі поверхні знайшли використання в самоочисних, морозостійких, антифрикційних, електропровідних та масло-сорбуючих покриттях. У роботі як плівкоутворювач були використані стирол-акриловий співполімер і ацетат бутират целюлози. Нанонаповнювачем виступив пірогенний діоксид кремнію Aerosil R 972, що гідрофобізований диметилдихлорсиланом. У роботі композиції наносилися на лабораторні стекла методом dip coating. Визначення поверхневої енергії здійснено за допомогою гліцерину та дійодометану. Гідрофобні властивості покриттів було оцінено вимірюванням крайових кутів змочування водою за допомогою гоніометра. Проведено аналіз морфологічної структури поверхні покриттів за фотографіями електронного скануючого мікроскопу. Визначено енергетичний стан поверхні створених супергідрофобних покриттів і розраховано їх поверхневі енергії за заснованою на моделі Оуенса-Вендта методикою. Досліджено процес гідрофобізації покриттів на полімерній основі, що відбувається як за рахунок хімічної модифікації при введенні діоксиду кремнію, так і за рахунок створення наношорохуватості поверхневого шару покриттів. Досліджено залежності цього процесу від матеріалів за допомогою електронного мікроскопу та визначення їх поверхневої енергії в залежності від наповнення SiO2. Визначено значення критичної концентрації модифікатора для переходу полімерів у супергідрофобний стан. У результаті визначено вплив кристалічності полімеру на гідрофобізацію при порівнянні змін поверхневої енергії матеріалів в ході їх модифікації.

Біографії авторів

Павло Володимирович Сіволапов, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Аспірант

Кафедра хімічної технології композиційних матеріалів

Олексій Володимирович Миронюк, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра хімічної технології композиційних матеріалів

Денис Віталійович Баклан, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Аспірант

Кафедра хімічної технології композиційних матеріалів

Тарас Олександрович Береговий, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Кафедра хімічної технології композиційних матеріалів

Посилання

  1. Tóth, A., László, K. (2012). Chapter 5 – Water Adsorption by Carbons. Hydrophobicity and Hydrophilicity. Novel Carbon Adsorbent. Elsevier, 147–171. doi: http://doi.org/10.1016/B978-0-08-097744-7.00005-3
  2. Livey, D. T., Murray, P. (1956). Surface Energies of Solid Oxides and Carbides. Journal of the American Ceramic Society, 39 (11), 363–372. doi: http://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1956.tb15606.x
  3. Myronyuk, O., Dudko, V., Baklan, D., Melnyk, L. (2017). Study of structure influence on wear resistance of hierarchial superhydrophobic coatings. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (12 (87)), 44–49. doi: http://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.103028
  4. Myronyuk, O., Raks, V. A., Baklan, D., Vasyliev, G., Vanagas, E., Kurdil, N., Sivolapov, P. (2021). Water repellent coatings with hierarchal structures obtained on anodized aluminum with femtosecond laser ablation. Applied Nanoscience. doi: http://doi.org/10.1007/s13204-021-01697-8
  5. Shirtcliffe, N. J., McHale, G., I. Newton, M. (2011). The superhydrophobicity of polymer surfaces: Recent developments. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics, 49 (17), 1203–1217. doi: http://doi.org/10.1002/polb.22286
  6. Kim, J., Choi, S. (2018). 11 – Superhydrophobicity. Waterproof and water repellent textiles and clothing.). Oxford: Woodhead Publishing, 267–297. doi: http://doi.org/10.1016/b978-0-08-101212-3.00010-1
  7. Wenzel, R. N. (1936). resistance of solid surfaces to wetting by water. Industrial & Engineering Chemistry, 28 (8), 988–994. doi: http://doi.org/10.1021/ie50320a024
  8. Cassie, A. B. D., Baxter, S. (1944). Wettability of porous surfaces. Transactions of the Faraday Society, 40, 546–551. doi: http://doi.org/10.1039/tf9444000546
  9. Bhushan, B., Nosonovsky, M. (2010). The rose petal effect and the modes of superhydrophobicity. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 368 (1929), 4713–4728. doi: http://doi.org/10.1098/rsta.2010.0203
  10. Rahmawan, Y., Moon, M.-W., Kim, K.-S., Lee, K.-R., Suh, K.-Y. (2009). Wrinkled, Dual-Scale Structures of Diamond-Like Carbon (DLC) for Superhydrophobicity. Langmuir, 26 (1), 484–491. doi: http://doi.org/10.1021/la902129k
  11. Lu, H., Cai, R., Zhang, L.-Z., Lu, L., Zhang, L. (2020). Experimental investigation on deposition reduction of different types of dust on solar PV cells by self-cleaning coatings. Solar Energy, 206, 365–373. doi: http://doi.org/10.1016/j.solener.2020.06.012
  12. Chen, H., Wang, F., Fan, H., Hong, R., Li, W. (2021). Construction of MOF-based superhydrophobic composite coating with excellent abrasion resistance and durability for self-cleaning, corrosion resistance, anti-icing, and loading-increasing research. Chemical Engineering Journal, 408, 127343. doi: http://doi.org/10.1016/j.cej.2020.127343
  13. Li, P., Chen, X., Yang, G., Yu, L., Zhang, P. (2014). Preparation of silver-cuprous oxide/stearic acid composite coating with superhydrophobicity on copper substrate and evaluation of its friction-reducing and anticorrosion abilities. Applied Surface Science, 289, 21–26. doi: http://doi.org/10.1016/j.apsusc.2013.10.068
  14. Suryaprabha, T., Sethuraman, M. G. (2017). Design of electrically conductive superhydrophobic antibacterial cotton fabric through hierarchical architecture using bimetallic deposition. Journal of Alloys and Compounds, 724, 240–248. doi: http://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.07.009
  15. Barthwal, S., Barthwal, S., Singh, B., Bahadur Singh, N. (2020). Multifunctional and fluorine-free superhydrophobic composite coating based on PDMS modified MWCNTs/ZnO with self-cleaning, oil-water separation, and flame retardant properties. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 597, 124776. doi: http://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2020.124776
  16. Owens, D. K., Wendt, R. C. (1969). Estimation of the surface free energy of polymers. Journal of Applied Polymer Science, 13 (8), 1741–1747. doi: http://doi.org/10.1002/app.1969.070130815
  17. Myronyuk, O. V., Prydatko, A. V., Sivolapov, P. V., Svidersky, V. A. (2014). Aspects of polymer surfaces wetting. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (6 (67)), 23–26. doi: http://doi.org/10.15587/1729-4061.2014.20797
  18. Van Oss, C. (2006). Interfacial Forces in Aqueous Media. Boca Raton: CRC Press. doi: http://doi.org/10.1201/9781420015768
  19. Liu, W., Zhou, Z., Liao, X., Li, C., Tang, H., Xie, M. et. al. (2020). Tailoring ordered microporous structure of cellulose-based membranes through molecular hydrophobicity design. Carbohydrate Polymers, 229, 115425. doi: http://doi.org/10.1016/j.carbpol.2019.115425
  20. Ozbay, S., Erbil, H. Y. (2014). Solution copolymerization of perfluoroalkyl ethyl methacrylate with methyl methacrylate and butyl acrylate: Synthesis and surface properties. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 452, 9–17. doi: http://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2014.03.054
  21. Shafrin, E. G., Zisman, W. A. (1960). Constitutive relations in the wetting of low energy surfaces and the theory of the retraction method of preparing monolayers. The Journal of Physical Chemistry, 64 (5), 519–524. doi: http://doi.org/10.1021/j100834a002
  22. Wypych, G.; Wypych, G. (Ed.) (2016). CAB cellulose acetate butyrate. Handbook of Polymers. ChemTec Publishing, 39–42. doi: http://doi.org/10.1016/b978-1-895198-92-8.50013-6
  23. Siljanovska Petreska, G., Auschra, C., Paulis, M. (2018). Confinement driven crystallization of ABA crystalline-soft-crystalline block copolymers synthesized via RAFT mediated miniemulsion polymerization. Polymer, 158, 327–337. doi: http://doi.org/10.1016/j.polymer.2018.10.073

##submission.downloads##

Опубліковано

2021-07-02

Як цитувати

Сіволапов, П. В., Миронюк, О. В., Баклан, Д. В., & Береговий, Т. О. (2021). Формування ефективної концентрації плівкоутворювача супергідрофобних покриттів на основі діоксиду кремнію. Technology Audit and Production Reserves, 3(3(59), 6–9. https://doi.org/10.15587/2706-5448.2021.233535

Номер

Том 3 № 3(59) (2021): Хімічна інженерія

Розділ

Хіміко-технологічні системи: Звіт про науково-дослідну роботу

Ліцензія

Авторське право (c) 2021 Pavlo Sivolapov, Oleksiy Myronyuk, Denys Baklan, Taras Berehovyj

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.