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]
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]
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]
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]
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.
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.