Супергидрофобное покрытие
Супергидрофобное покрытие представляет собой тонкий поверхностный слой, отталкивающий воду. Он изготовлен из супергидрофобных (также известных как ультрагидрофобные ) материалов и обычно вызывает образование почти незаметного тонкого слоя воздуха поверх поверхности. Капли, попавшие на такое покрытие, могут полностью отскочить. [1] [2] Вообще говоря, супергидрофобные покрытия изготавливаются из композиционных материалов, где один компонент обеспечивает шероховатость, а другой — низкую поверхностную энергию . [3]
Супергидрофобные покрытия встречаются и в природе; они появляются на листьях растений, таких как лист лотоса , и на крыльях некоторых насекомых. [4]
Используемые материалы
[ редактировать ]Супергидрофобные покрытия могут быть изготовлены из самых разных материалов. Известны следующие возможные основы для покрытия:
- /PS) на основе оксида марганца полистирола (MnO 2 Нанокомпозит [ нужна ссылка ]
- Нанокомпозит полистирола (ZnO/PS) на основе оксида цинка [5]
- Осажденный карбонат кальция [6]
- из углеродных нанотрубок Структуры
- Кремнеземное нанопокрытие [7] [8] [9]
- Фторированные силаны [10] и фторполимерные покрытия. [11]
Покрытия на основе диоксида кремния , пожалуй, наиболее экономичны в использовании. [12] Они имеют гелевую основу и их легко наносить, окунув предмет в гель или распылив аэрозоль. Напротив, оксидно-полистирольные композиты более долговечны, чем покрытия на основе геля, однако процесс нанесения покрытия гораздо сложнее и дороже. Углеродные нанотрубки также дороги, и их сложно производить с помощью современных технологий. Таким образом, гели на основе силикагеля в настоящее время остаются наиболее экономически выгодным вариантом.
Кроме того, поверхности можно сделать гидрофобными без использования покрытия путем изменения микроскопических контуров их поверхности. В основе гидрофобности лежит создание на поверхности углублений, на смачивание которых затрачивается больше энергии, чем на перекрытие углублений. Это зависит от тонких микро- и наноразмерных структур, обеспечивающих водоотталкивающие свойства, и достигается с помощью микроструктур (или волосков), подобных микроструктурам кувшинок, покрытых некоторым гидрофобным материалом, который значительно увеличивает угол контакта и заставляет воду скатываться. Эта так называемая поверхность с эффектом Венцеля или поверхность с эффектом лотоса имеет меньшую площадь контакта на величину, пропорциональную утопленной площади, что придает ей высокий угол контакта . Утопленная поверхность пропорционально уменьшает притяжение посторонних жидкостей и твердых частиц и надолго остается чистой.
Однако эти микроструктуры легко повредить при истирании или очистке: при некотором трении лист лотоса перестает быть супергидрофобным. В отличие от листа лотоса, который может лечить и выращивать новые волосы, инертное покрытие не регенерирует. [13]
Приложения
[ редактировать ]Потребительское использование
[ редактировать ]Прочный водоотталкивающий материал – это разновидность тканевого покрытия, защищающего их от воды.
Кроме того, супергидрофобные покрытия потенциально можно использовать в лобовых стеклах транспортных средств , чтобы предотвратить прилипание капель дождя к стеклу и улучшить видимость при вождении. В продаже имеются водоотталкивающие спреи для лобовых стекол автомобилей. [14] [15]
Из-за своей хрупкости супергидрофобные покрытия могут найти применение в герметичных средах, не подвергающихся износу или очистке, таких как электронные компоненты (например, внутри смартфонов ) и кондиционеров , для защиты от влаги и предотвращения коррозии. ребра теплопередачи [16]
Промышленность использует
[ редактировать ]В промышленности супергидрофобные покрытия используются для нанесения на ультрасухие поверхности. Покрытие можно распылять на предметы, чтобы сделать их водонепроницаемыми. Спрей антикоррозийный и противообледенительный; имеет возможности очистки; и может использоваться для защиты цепей и сетей.
Супергидрофобные покрытия имеют важное применение в морской промышленности . Они могут снизить сопротивление трения обшивки корпусов кораблей, тем самым повышая топливную экономичность. Такое покрытие позволит кораблям увеличить скорость или дальность полета при одновременном снижении затрат на топливо. Они также могут уменьшить коррозию и предотвратить рост морских организмов корабля на корпусе . [17]
Кроме того, супергидрофобные покрытия позволяют удалять солевые отложения без использования пресной воды. Это может способствовать добыче минералов из рассола морской воды . [18]
Новые текстуры поверхности нержавеющей стали чрезвычайно долговечны и обладают постоянными гидрофобными свойствами. Оптически эти поверхности выглядят как однородная матовая поверхность, но микроскопически они состоят из округлых впадин глубиной от одного до двух микрон, занимающих от 25% до 50% поверхности. Эти поверхности производятся для зданий, которые никогда не будут нуждаться в чистке. [19] Они эффективно используются для крыш и навесных стен сооружений, которые требуют минимального обслуживания или вообще не требуют его. [19]
Медицинский
[ редактировать ]Из-за чрезвычайной отталкиваемости, а в некоторых случаях и устойчивости к бактериям гидрофобных покрытий, существует большой энтузиазм. [ от кого? ] за их широкое потенциальное использование в хирургических инструментах, медицинском оборудовании, текстиле и всех видах поверхностей и подложек. Однако нынешнее состояние этой технологии сдерживается слабой долговечностью покрытия, что делает его непригодным для большинства применений.
Критика
[ редактировать ]Вместо использования атомов фтора для отталкивания, как во многих успешных гидрофобных проникающих герметиках (не супергидрофобных ), супергидрофобные продукты покрыты поверхностными структурами микро- и наноразмера, которые обладают суперотталкивающими свойствами. Эти крошечные структуры по своей природе очень хрупкие и легко повреждаются в результате износа, чистки или любого трения; при малейшем повреждении структуры она теряет свои супергидрофобные свойства. [ нужна ссылка ]
Из-за хрупкости некоторых покрытий объекты, подверженные постоянному трению, такие как корпуса лодок, требуют постоянного повторного нанесения такого покрытия для поддержания высокого уровня производительности.
Несмотря на множество применений супергидрофобных покрытий, безопасность для окружающей среды и работников может стать потенциальной проблемой. [ нужна ссылка ] Международная морская организация имеет множество правил и политик по обеспечению безопасности воды от потенциально опасных добавок. [ нужна ссылка ]
Если усовершенствования не смогут устранить указанные выше недостатки, приложения потенциально будут ограничены.
См. также
[ редактировать ]- Биомиметика
- гидрофобный
- Антипригарная поверхность
- Кутикула растения
- Политетрафторэтилен
- Ультрагидрофобность
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Ричард, Дени, Кристоф Клане и Дэвид Кере. «Поверхностные явления: время контакта с прыгающей каплей». Природа 417.6891 (2002): 811-811.
- ^ Яхуа Лю, Лиза Моевиус, Синьпэн Сюй, Тичжэн Цянь, Джулия М Йоманс, Цзуанкай Ван «Блин, подпрыгивающий на супергидрофобных поверхностях», Nature Physics, 10, 515-519 (2014).
- ^ Симпсон, Джон Т.; Хантер, Скотт Р.; Айтуг, Толга (2015). «Супергидрофобные материалы и покрытия: обзор». Отчеты о прогрессе в физике . 78 (8): 086501. Бибкод : 2015РПФ...78х6501С . дои : 10.1088/0034-4885/78/8/086501 . ПМИД 26181655 . S2CID 206022154 .
- ^ Дай, С.; Дин, В.; Ван, Ю.; Чжан, Д.; Ду, З. (2011). «Изготовление гидрофобных неорганических покрытий на натуральных листьях лотоса для наноотпечатков». Тонкие твердые пленки . 519 (16): 5523. arXiv : 1106.2228 . Бибкод : 2011TSF...519.5523D . дои : 10.1016/j.tsf.2011.03.118 . S2CID 98801618 .
- ^ Мэн, Хайфэн; Ван, Шутао; Си Цзиньмин; Тан, Чжиюн; Цзян, Лэй (2008). «Простые способы подготовки суперамфифобных поверхностей на обычных конструкционных металлах». Журнал физической химии C. 112 (30): 11454–11458. дои : 10.1021/jp803027w .
- ^ Ху, З.; Дзен, Х.; Гонг, Дж.; Дэн, Ю. (2009). «Повышение водостойкости бумаги путем супергидрофобной модификации микроразмерным покрытием CaCO3 и жирными кислотами». Коллоиды и поверхности А: Физико-химические и инженерные аспекты . 351 (1–3): 65–70. doi : 10.1016/j.colsurfa.2009.09.036 .
- ^ Лин, Дж.; Чен, Х.; Фей, Т.; Чжан, Дж. (2013). «Высокопрозрачное супергидрофобное органо-неорганическое нанопокрытие из агрегации наночастиц кремнезема». Коллоиды и поверхности А: Физико-химические и инженерные аспекты . 421 : 51–62. дои : 10.1016/j.colsurfa.2012.12.049 .
- ^ Дас, И.; Мишра, М.К.; Медда, СК; Де, Г. (2014). «Прочные супергидрофобные пленки ZnO – SiO2: новый подход к повышению стойкости к истиранию наночастиц SiO2, функционализированных триметилсилилом, на стекле» (PDF) . РСК Прогресс . 4 (98): 54989–54997. Бибкод : 2014RSCAd...454989D . дои : 10.1039/C4RA10171E .
- ^ Торунь, Илькер; Челик, Нусрет; Херсер, Мехмет; Эс, Фират; Эмир, Джансу; Туран, Расит; Онсес, М.Сердар (2018). «Водостойкие и просветляющие супергидрофобные поверхности, изготовленные путем нанесения напылением наночастиц: разработка интерфейса с помощью привитых на концах полимеров». Макромолекулы . 51 (23): 10011–10020. Бибкод : 2018МаМол..5110011Т . doi : 10.1021/acs.macromol.8b01808 . S2CID 104394952 .
- ^ Варсингер, Дэвид Э.М.; Сваминатан, Джайчандер; Масваде, Лэйт А.; Линхард В., Джон Х. (2015). «Супергидрофобные поверхности конденсатора для мембранной дистилляции с воздушным зазором». Журнал мембранной науки . 492 . Эльзевир Б.В.: 578–587. дои : 10.1016/j.memsci.2015.05.067 . hdl : 1721.1/102500 .
- ^ Серви, Амелия Т.; Гильен-Бурьеза, Елена; Варсингер, Дэвид Э.М.; Ливернуа, Уильям; Нотаранжело, Кэти; Харраз, Джихад; Линхард В., Джон Х.; Арафат, Хасан А.; Глисон, Карен К. (2017). «Влияние толщины и конформности пленки iCVD на проницаемость и смачивание мембран MD» (PDF) . Журнал мембранной науки . 523 . Эльзевир Б.В.: 470–479. дои : 10.1016/j.memsci.2016.10.008 . hdl : 1721.1/108260 . S2CID 4225384 .
- ^ Шан Х.М., Ван Ю., Лиммер С.Дж., Чжоу Т.П., Такахаши К., Цао Г.З. (2005). «Оптически прозрачные супергидрофобные пленки на основе диоксида кремния». Тонкие твердые пленки . 472 (1–2): 37–43. Бибкод : 2005TSF...472...37S . дои : 10.1016/j.tsf.2004.06.087 .
- ^ Энсикат, Ханс Дж (10 марта 2011 г.). «Супергидрофобность в совершенстве: выдающиеся свойства листа лотоса» . Байльштейн Дж. Нанотехнологии . дои : 10.3762/bjnano.2.19 . ПМК 3148040 .
- ^ «Супергидрофобные покрытия NeverWet — они делают именно то, что следует из названия» (PDF) . Дома Труворта . Архивировано из оригинала (PDF) 21 декабря 2016 года . Проверено 27 декабря 2019 г.
- ^ «Как применять средство от дождя NeverWet» . Ржавчина-Олеум. 2 февраля 2016 г. Проверено 27 декабря 2019 г. - через YouTube.
- ^ Милионис, Афанасий; Лот, Эрик; Байер, Илькер С. (2016). «Последние достижения в области механической прочности супергидрофобных материалов». Достижения в области коллоидной и интерфейсной науки . 229 : 57–79. дои : 10.1016/j.cis.2015.12.007 . ПМИД 26792021 .
- ^ Ли, Мин; Сяо, Вэньбо; Инь, Цзочжоу; Чен, Юхуа; Ло, Идань; Хун, Чжэнь; Сюэ, Миншань (2024). «Создание прочного супергидрофобного композитного покрытия на основе MOF с превосходными характеристиками в области предотвращения обрастания, снижения сопротивления и фотодеградации органических веществ». Прогресс в области органических покрытий . 186 : 108086. doi : 10.1016/j.porgcoat.2023.108086 .
- ^ Кан, Мариам; Аль-Гути, Мохаммад А. (15 октября 2021 г.). «Структура DPSIR и устойчивые подходы к управлению рассолами на заводах по опреснению морской воды в Катаре» . Журнал чистого производства . 319 : 128485. doi : 10.1016/j.jclepro.2021.128485 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Макгуайр, Майкл Ф., «Нержавеющая сталь для инженеров-конструкторов», ASM International, 2008.