stringtranslate.com

Супергидрофобное покрытие

Супергидрофобное покрытие — это тонкий поверхностный слой, который отталкивает воду. Он изготовлен из супергидрофобных (также известных как ультрагидрофобные ) материалов и обычно вызывает образование почти незаметно тонкого слоя воздуха на поверхности. Капли, ударяющиеся о такое покрытие, могут полностью отскакивать. [1] [2] Вообще говоря, супергидрофобные покрытия изготавливаются из композитных материалов, где один компонент обеспечивает шероховатость, а другой — низкую поверхностную энергию . [3]

Супергидрофобные покрытия также встречаются в природе; они появляются на листьях растений, таких как листья лотоса , и на крыльях некоторых насекомых. [4]

На этом изображении показана высокоабсорбирующая фильтровальная бумага, покрытая супергидрофобной краской, разработанной в University College London . Она отталкивает воду (которая была окрашена в оранжевый цвет для большего контраста)

Использованные материалы

Супергидрофобные покрытия могут быть изготовлены из множества различных материалов. Известны следующие возможные основы для покрытия:

Покрытия на основе диоксида кремния , пожалуй, наиболее экономичны в использовании. [12] Они основаны на геле и могут быть легко нанесены либо путем погружения объекта в гель, либо с помощью аэрозольного распыления. Напротив, композиты оксида полистирола более долговечны, чем покрытия на основе геля, однако процесс нанесения покрытия гораздо более сложен и дорог. Углеродные нанотрубки также дороги и сложны в производстве с использованием современных технологий. Таким образом, гели на основе диоксида кремния остаются наиболее экономически выгодным вариантом в настоящее время.

Также поверхности можно сделать гидрофобными без использования покрытия путем изменения их микроскопических контуров поверхности. Основой гидрофобности является создание углубленных областей на поверхности, смачивание которых тратит больше энергии, чем заполнение углублений. Это основано на тонких микро- и наномасштабных структурах для их водоотталкивания и достигается с помощью микроструктур (или волосков), подобных микроструктурам кувшинки, покрытой 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 углубленной области, что придает ей высокий угол контакта . Углубленная поверхность имеет пропорционально уменьшенное притяжение посторонних жидкостей или твердых веществ и постоянно остается чистой.

Однако эти микроструктуры легко повреждаются при трении или чистке: при некотором трении лист лотоса больше не будет супергидрофобным. В отличие от листа лотоса, который может заживать и отращивать новые волоски, инертное покрытие не будет регенерироваться. [13]

Приложения

Потребительское использование

Прочный водоотталкивающий состав — это тип покрытия тканей, защищающий их от воды.

Кроме того, супергидрофобные покрытия имеют потенциальное применение в автомобильных лобовых стеклах для предотвращения прилипания капель дождя к стеклу, для улучшения видимости во время вождения. В продаже имеются спреи-отталкиватели дождя для автомобильных лобовых стекол. [14] [15]

Из-за своей хрупкости супергидрофобные покрытия могут найти применение в герметичных средах, которые не подвергаются износу или чистке, таких как электронные компоненты (например, внутренняя часть смартфонов ) и ребра теплопередачи систем кондиционирования воздуха , для защиты от влаги и предотвращения коррозии. [16]

Отраслевое использование

В промышленности супергидрофобные покрытия используются в сверхсухих поверхностных приложениях. Покрытие можно распылять на объекты, чтобы сделать их водонепроницаемыми. Спрей является антикоррозионным и противообледенительным; обладает очищающими свойствами; может использоваться для защиты цепей и сетей.

Супергидрофобные покрытия имеют важное применение в морской промышленности . Они могут обеспечить снижение сопротивления трения поверхности корпуса судна, тем самым увеличивая эффективность использования топлива. Такое покрытие позволило бы судам увеличить скорость или дальность полета, одновременно снижая расходы на топливо. Они также могут уменьшить коррозию и предотвратить рост морских организмов на корпусе судна . [17]

Кроме того, супергидрофобные покрытия могут сделать возможным удаление солевых отложений без использования пресной воды. Это имеет возможность помочь в извлечении минералов из морской воды . [18]

Новые инженерные поверхностные текстуры на нержавеющей стали чрезвычайно долговечны и постоянно гидрофобны. Оптически эти поверхности выглядят как однородная матовая поверхность, но микроскопически они состоят из округлых углублений глубиной от одного до двух микрон на 25% - 50% поверхности. Эти поверхности производятся для зданий, которые никогда не будут нуждаться в чистке. [19] Они эффективно использовались для крыш и навесных стен конструкций, которые выигрывают от низкого или нулевого обслуживания. [19]

Медицинский

Из-за чрезвычайной отталкивающей способности и в некоторых случаях бактериальной устойчивости гидрофобных покрытий существует большой энтузиазм [ от кого? ] относительно их широкого потенциального использования с хирургическими инструментами, медицинским оборудованием, текстилем и всеми видами поверхностей и субстратов. Однако современное состояние этой технологии затруднено из-за слабой прочности покрытия, что делает его непригодным для большинства применений.

Критика

Вместо использования атомов фтора для отталкивания, как во многих успешных гидрофобных проникающих герметиках (не супергидрофобных ), супергидрофобные продукты покрыты микро- и наноразмерными поверхностными структурами, которые обладают суперотталкивающими свойствами. Эти крошечные структуры по своей природе очень нежные и легко повреждаются при износе, чистке или любом виде трения; если структура повреждена даже немного, она теряет свои супергидрофобные свойства. [ необходима цитата ]

Из-за хрупкости некоторых покрытий объекты, подвергающиеся постоянному трению, например, корпуса лодок, требуют постоянного повторного нанесения такого покрытия для поддержания высокого уровня эксплуатационных характеристик.

Несмотря на многочисленные области применения супергидрофобных покрытий, безопасность для окружающей среды и рабочих может быть потенциально проблематичной. [ необходима цитата ] Международная морская организация имеет множество правил и политик по защите воды от потенциально опасных добавок. [ необходима цитата ]

Если усовершенствования не позволят устранить указанные выше недостатки, возможности применения будут потенциально ограничены.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Ричард, Дени, Кристоф Клане и Дэвид Кере. «Поверхностные явления: время контакта отскакивающей капли». Nature 417.6891 (2002): 811-811
  2. ^ Яхуа Лю, Лиза Моевиус, Синьпэн Сюй, Течжэн Цянь, Джулия М Йоманс, Цзуанкай Ван. «Блин, подпрыгивающий на супергидрофобных поверхностях». Физика природы, 10, 515-519 (2014)
  3. ^ Симпсон, Джон Т.; Хантер, Скотт Р.; Айтуг, Толга (2015). «Супергидрофобные материалы и покрытия: обзор». Reports on Progress in Physics . 78 (8): 086501. Bibcode : 2015RPPh...78h6501S. doi : 10.1088/0034-4885/78/8/086501. PMID  26181655. S2CID  206022154.
  4. ^ Дай, С.; Дин, В.; Ван, И.; Чжан, Д.; Ду, З. (2011). «Изготовление гидрофобных неорганических покрытий на натуральных листьях лотоса для наноотпечатков штампов». Тонкие твердые пленки . 519 (16): 5523. arXiv : 1106.2228 . Bibcode : 2011TSF...519.5523D. doi : 10.1016/j.tsf.2011.03.118. S2CID  98801618.
  5. ^ Мэн, Хайфэн; Ван, Шутао; Си, Цзиньмин; Тан, Чжиюн; Цзян, Лэй (2008). «Простые способы подготовки суперамфифобных поверхностей на обычных инженерных металлах». Журнал физической химии C. 112 ( 30): 11454–11458. doi :10.1021/jp803027w.
  6. ^ Ху, З.; Зэн, Х.; Гун, Дж.; Дэн, И. (2009). «Улучшение водостойкости бумаги путем супергидрофобной модификации с микроразмерным покрытием CaCO3 и жирными кислотами». Коллоиды и поверхности A: физико-химические и инженерные аспекты . 351 (1–3): 65–70. doi :10.1016/j.colsurfa.2009.09.036.
  7. ^ Lin, J.; Chen, H.; Fei, T.; Zhang, J. (2013). «Высокопрозрачное супергидрофобное органо-неорганическое нанопокрытие из агрегации наночастиц кремния». Коллоиды и поверхности A: физико-химические и инженерные аспекты . 421 : 51–62. doi :10.1016/j.colsurfa.2012.12.049.
  8. ^ Das, I.; Mishra, M. K; Medda, SK; De, G. (2014). «Прочные супергидрофобные пленки ZnO–SiO2: новый подход к повышению износостойкости наночастиц SiO2 с триметилсилиловым функционалом на стекле» (PDF) . RSC Advances . 4 (98): 54989–54997. Bibcode :2014RSCAd...454989D. doi :10.1039/C4RA10171E.
  9. ^ Torun, Ilker; Celik, Nusret; Hereser, Mehmet; Es, Firat; Emir, Cansu; Turan, Rasit; Onses, M.Serdar (2018). «Водостойкие и антибликовые супергидрофобные поверхности, изготовленные методом распыления наночастиц: проектирование интерфейса с помощью привитых на концах полимеров». Macromolecules . 51 (23): 10011–10020. Bibcode :2018MaMol..5110011T. doi :10.1021/acs.macromol.8b01808. S2CID  104394952.
  10. ^ Warsinger, David EM; Swaminathan, Jaichander; Maswadeh, Laith A.; Lienhard V, John H. (2015). «Супергидрофобные поверхности конденсатора для мембранной дистилляции с воздушным зазором». Journal of Membrane Science . 492. Elsevier BV: 578–587. doi : 10.1016/j.memsci.2015.05.067. hdl : 1721.1/102500 .
  11. ^ Servi, Amelia T.; Guillen-Burrieza, Elena; Warsinger, David EM; Livernois, William; Notarangelo, Katie; Kharraz, Jehad; Lienhard V, John H.; Arafat, Hassan A.; Gleason, Karen K. (2017). «Влияние толщины и конформности пленки iCVD на проницаемость и смачивание мембран MD» (PDF) . Journal of Membrane Science . 523 . Elsevier BV: 470–479. doi :10.1016/j.memsci.2016.10.008. hdl : 1721.1/108260 . S2CID  4225384.
  12. ^ Shang HM, Wang Y, Limmer SJ, Chou TP, Takahashi K, Cao GZ (2005). «Оптически прозрачные супергидрофобные пленки на основе диоксида кремния». Thin Solid Films . 472 (1–2): 37–43. Bibcode : 2005TSF...472...37S. doi : 10.1016/j.tsf.2004.06.087.
  13. ^ Энсикат, Ханс Дж. (10 марта 2011 г.). «Супергидрофобность в совершенстве: выдающиеся свойства листьев лотоса». Beilstein J Nanotechnol . 2 : 152–161. doi :10.3762/bjnano.2.19. PMC 3148040. PMID  21977427 . 
  14. ^ "NeverWet Superhydrophobic Coatings – It Does Exactly What Its Name Implicit" (PDF) . Truworth Homes . Архивировано из оригинала (PDF) 21 декабря 2016 г. . Получено 27 декабря 2019 г. .
  15. ^ "Как наносить NeverWet Rain Repellent". Rust-Oleum. 2 февраля 2016 г. Получено 27 декабря 2019 г. – через YouTube.
  16. ^ Милионис, Атанасиос; Лот, Эрик; Байер, Илкер С. (2016). «Последние достижения в области механической прочности супергидрофобных материалов». Advances in Colloid and Interface Science . 229 : 57–79. doi :10.1016/j.cis.2015.12.007. PMID  26792021.
  17. ^ Ли, Минь; Сяо, Вэньбо; Инь, Цзочжу; Чэнь, Юйхуа; Ло, Идань; Хун, Чжэнь; Сюэ, Миншань (2024). «Конструирование прочного супергидрофобного композитного покрытия на основе MOF с превосходными характеристиками в области защиты от обрастания, снижения сопротивления и органической фотодеградации». Прогресс в области органических покрытий . 186 : 108086. doi : 10.1016/j.porgcoat.2023.108086.
  18. ^ Кан, Мариам; Аль-Гути, Мохаммад А. (15 октября 2021 г.). «Структура DPSIR и устойчивые подходы к управлению рассолом на опреснительных установках морской воды в Катаре». Журнал чистого производства . 319 : 128485. doi : 10.1016/j.jclepro.2021.128485 .
  19. ^ Макгуайр, Майкл Ф., «Нержавеющая сталь для инженеров-конструкторов», ASM International, 2008.