Коллоидный журнал

Представлен краткий анализ практической значимости разработки супергидрофобных материалов и покрытий, и обзор основных направлений исследований российских научных групп, посвященных различным аспектам формирования, исследования свойств и практического применения супергидрофобных материалов.

Обсуждаются проблемы математического моделирования течений вязкой жидкости вблизи текстурированных супергидрофобных поверхностей. Основное внимание уделено обзору результатов, полученных в последние годы в лаборатории механики многофазных сред НИИ механики МГУ имени М.В. Ломоносова. Ключевой гидродинамической характеристикой супергидрофобной поверхности является тензор скольжения, входящий в формулировку эффективного граничного условия типа Навье, которое используется при осредненном описании течений вязкой жидкости вблизи супергидрофобной поверхности на макромасштабе. Под макромасштабом здесь понимается масштаб, много больший линейного размера элементов текстуры поверхности. В первой части представлены новые решения уравнений гидродинамики с условием проскальзывания для задач о растекании пленки жидкости от локализованного источника массы, стекании ручейка по наклонной стенке и стекании жидкости с поверхности горизонтального цилиндра. Эти решения удобно использовать для экспериментального определения главных компонент тензора скольжения супергидрофобных поверхностей. Во второй части развит метод граничных интегральных уравнений для уравнений Стокса, используемый для исследования течений на микромасштабе – масштабе микрокаверн с газовыми пузырьками. Построены и исследованы численные решения для ряда сдвиговых течений вдоль супергидрофобной поверхности и течений в микроканалах с супергидрофобными стенками, имеющими полосчатую текстуру. На основе осреднения полученных решений на микромасштабе проведено параметрическое исследование коэффициентов тензора скольжения и эффекта снижения сопротивления. Обсуждается влияние геометрических параметров текстуры, кривизны и положения межфазной границы в кавернах, а также пульсаций пузырьков в каверне под действием наложенных гармонических колебаний.

Синтезированы композитные аэрогели на основе восстановленного оксида графена (ВОГ) и политетрафторэтилена (ПТФЭ) при различных их соотношениях. Методом сидящей капли обнаружено, что наружная поверхность является высокогидрофобной с углами смачивания водой 166 - 170°. Пористая структура гранул аэрогеля исследована методом эталонной контактной порометрии (MЭКП). Порометрические кривые для октана и воды пересекаются в области мелких пор, что соответствует тому, что удельная поверхность аэрогеля по отношению к воде намного выше, чем по отношению к октану, несмотря на то что, как известно, октан почти идеально смачивает все материалы. Это явление, квалифицированное нами как супергидрофильность, объясняется набуханием образца в воде в области мезопор вследствие гидратации поверхностных групп -СO и –COH, идентифицированных методом ИК спектроскопии. Таким образом, высокогидрофобные снаружи гранулы композитного аэрогеля ВОГ-ПТФЭ оказываются супергидрофильными внутри в области мелких пор, что является уникальным явлением. Установлено также, что степень супергидрофильности уменьшается при увеличении доли ПТФЭ в аэрогеле. Рассмотрены причины высокой гидрофобности наружной поверхности частиц аэрогеля.

В работе изучены процессы формирования, структурно-фазовый, элементный состав и гидрофильные свойства азотсодержащих покрытий TiO_х, Сu_xO/TiO_х формируемых обработкой пленок титана в потоке низкотемпературной азотной плазмы в открытой атмосфере с использованием медного анода. Показано, что скорость эрозии медного анода и режим обработки напрямую влияют на процессы синтеза и структурно-фазовый состав покрытия, его элементный состав и гидрофильные свойства. Полученные результаты демонстрируют возможности плазменной технологии формирования композитных покрытий с заданными свойствами путем варьирования материалом и скоростью эрозии анода.

С использованием макроскопической теории вандерваальсовых сил проведены расчеты изотерм расклинивающего давления для пленок силиконового масла и фторорганического вакуумного масла Критокс на подложках из оксида кремния. Рассмотрены как гидрофильные подложки, так и подложки, гидрофобизованные слоями тефлона или полистирола различной толщины. Проведенный анализ позволил оценить интервалы устойчивых толщин пленок масел для их использования в качестве водоотталкивающих скользких покрытий.

В работе обсуждается формирование гидрофобных покрытий на основе льняного масла и сополимеров глицидилметакрилата и (фтор)алкилметакрилатов на поверхности древесины сосны, и показана возможность достижения супергидрофобного состояния с углами смачивания до 154°. Методом энергодисперсионного анализа показано, что метакриловые сополимеры равномерно распределены по поверхности древесины и проникают на глубину более 400 мкм. Предлагаемая модификация древесины обеспечивает достижение устойчивых водоотталкивающих свойств с замедленным процессом сорбции влаги на начальных этапах контакта с водой и снижение показателя водопоглощения в 2.5 раза спустя 60 суток нахождения в воде.

Рассмотрены способы формирования покрытий на поверхности гидрофильной трековой мембраны из полиэтилентерефталата с помощью метода электронно-лучевого диспергирования полимеров в вакууме. Показано, что применение данного метода при использовании в качестве мишени для диспергирования сверхвысокомолекулярного полиэтилена и полипропилена позволяет получать на поверхности мембраны гидрофобные и высокогидрофобные покрытия с морфологически развитой структурой. Осаждение на их поверхности тонкого слоя политетрафторэтилена электронно-лучевым диспергированием приводит к формированию супергидрофобного покрытия. Для получения на поверхности мембраны однослойного супергидрофобного покрытия в качестве мишени использован политетрафторэтилен. Методами атомно-силовой и растровой электронной микроскопии исследованы морфология и структура поверхности полученных композиционных мембран. Химический состав осажденных на поверхности трековой мембраны полимерных покрытий изучен методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Показано, что композиционные мембраны разработанного образца могут быть использованы в процессах опреснения водного раствора хлорида натрия методом мембранной дистилляции. Установлено, что использование тонкого гидрофобного слоя в сочетании с толстой гидрофильной основой позволяет повысить производительность процесса мембранной дистилляции.

Создана серия супергидрофобных покрытий с использованием метода лазерной обработки поверхности краски с последующей хемосорбцией гидрофобного агента. Варьирование режимов лазерной обработки позволило получить поверхности с различной морфологией. Кроме этого, исследована химическая и механическая стойкость покрытия. Представлен метод придания супергидрофобных свойств, позволяющий в значительной степени повысить химическую стойкость и достичь удовлетворительной механической стойкости супергидрофобного покрытия.

Проведены исследования свойств полидиметилсилоксанового каучука, сшитого MQ сополимером и модифицированного кремнийорганическими соединениями разной архитектуры: несимметричные стереорегулярные кремнийорганические звезды с гибкими силоксановыми лучами, кремнийорганический наногель. Изучена статистика кристаллизации капель воды на покрытиях на основе полидиметилсилоксанового каучука при температурах −15°С и −20°С. Показано, что покрытия гидрофобны и проявляют антиобледенительные свойства. Капли на поверхности этих покрытий способны находиться в метастабильном переохлажденном состоянии до 30 часов при температуре −15°С. При −20°С время кристаллизации капель сокращается до 30 мин. При изотермическом низкотемпературном режиме положительный эффект модификаторов, введенных в состав полидиметилсилоксанового каучука, сшитого MQ сополимером, проявляется в более низкой, по сравнению с исходным полимером, скорости кристаллизации капель на покрытиях с концентрацией 1 мас.%. наногеля или кремнийорганических звезд с гибкими силоксановыми лучами.

Aнтиобрастающие и конденсационные свойства систем Rust-Oleum Neverwet и Ultra Ever Dry исследованы экспериментально с целью использования эффекта супергидрофобности в морских условиях. Эксперимент показал, что осажденные покрытия затрудняют появление первых поселений при углах смачивания θС ≥ 130°. Скорость конденсации на супергидрофобной поверхности возрастает на 8-13% по сравнению с необработанной. Однако на начальном этапе увеличение скорости вызвано большей удельной площадью шероховатой поверхности по сравнению с гладкой. Обеспечить высокий коэффициент теплопередачи конденсации способен переход капель в состояние Касси-Бакстера, который зависит от текстуры поверхности и свойств водяного пара. Тем не менее, существуют значительные проблемы, которые необходимо решить для того, чтобы применение таких покрытий было осуществимым. Прежде всего, микроструктура должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать условия морской среды. Во-вторых, покрытие должно сохранять свою супергидрофобность в течение длительного периода времени. Все эти вопросы требуют дальнейших исследований и разработок, для начала использования супергидрофобных покрытий в реальных условиях.

Методом молекулярной динамики исследовалось влияние стандартных поверхностно-активных веществ и других применяющихся в нефтедобыче добавок на подвижность в жидкости, которая находится в контакте с очень тонким (сравнимым с молекулярными размерами) слоем, сорбированном на аффинной к последнему твердой подложке. Изучались как гидрофильная поверхность с тонким слоем воды в контакте с деканом, и гидрофобная с сорбированным тонким слоем декана, находящимся в контакте с водой. ПАВ улучшают смачиваемость на границе вода-декан и тем самым понижают подвижность жидкостей. При этом не удается построить корреляцию с эффективными объемами гидрофильных и гидрофобных групп, что означает, что ограничение подвижности не обусловленo лишь механическим препятствием, создаваемым малоподвижными молекулами добавок. Влияние добавок, растворимых в декане, на подвижность оказалось незначительным.