Супергидрофобное покрытие - Superhydrophobic coating

А супергидрофобное покрытие представляет собой тонкий поверхностный слой, отталкивающий воду. Изготовлен из супергидрофобного (ультрагидрофобность ) материалы. Капли, попавшие на такое покрытие, могут полностью отскочить.[1][2] Вообще говоря, супергидрофобные покрытия изготавливаются из композиционных материалов, в которых один компонент обеспечивает шероховатость, а другой - низкую поверхностную энергию.[3]

На этом изображении показана фильтровальная бумага с высокой впитывающей способностью, покрытая супергидрофобной краской, разработанной в Университетский колледж Лондона. Это отталкивает воду (которая была окрашена в оранжевый для большего контраста)

Используемый материал

Супергидрофобные покрытия можно изготавливать из самых разных материалов. Известны следующие возможные основы покрытия:

В кремнезем покрытия на основе, пожалуй, самые рентабельные в использовании.[11] Они имеют гелевую основу и легко наносятся путем погружения предмета в гель или с помощью аэрозольного баллончика. Напротив, композиты на основе оксида полистирола более долговечны, чем покрытия на основе геля, однако процесс нанесения покрытия намного сложнее и дороже. Углеродные нанотрубки также дороги, и их сложно производить с помощью современных технологий. Таким образом, гели на основе диоксида кремния остаются в настоящее время наиболее экономически выгодным вариантом.

Виды супергидрофобных покрытий

  • Прочный водоотталкивающий материал - Используется для тканей, чтобы защитить их от воды.
  • Отталкивающий дождь - это сделано для лобового стекла автомобиля для отталкивания дождевой воды во время дождя, чтобы улучшить видимость при вождении.[12][13]

Промышленное использование

В промышленности супергидрофобные покрытия используются для нанесения на сверхсухие поверхности. Покрытие вызывает образование на поверхности почти незаметно тонкого слоя воздуха. Супергидрофобные покрытия также встречаются в природе; они появляются на листьях растений, таких как Лист лотоса, и крылья некоторых насекомых.[14] Покрытие можно распылять на предметы, чтобы сделать их водонепроницаемыми. Спрей антикоррозийный и антиобледенительный; имеет чистящие возможности; и может использоваться для защиты цепей и сетей.

Супергидрофобные покрытия находят важное применение в морская промышленность. Они могут снизить сопротивление поверхностного трения.[нужна цитата ] для корпусов судов, тем самым повышая топливную эффективность. Такое покрытие позволит кораблям увеличить скорость или дальность полета при одновременном снижении затрат на топливо. Они также могут уменьшить коррозия и предотвратить морские организмы от роста на корабле корпус.[нужна цитата ]

В дополнение к этим промышленным применениям супергидрофобные покрытия потенциально могут использоваться в транспортных средствах. лобовые стекла чтобы капли дождя не прилипали к стеклу. Покрытия также позволяют удалять солевые отложения без использования пресной воды. Кроме того, супергидрофобные покрытия могут собирать другие минералы из морской воды. рассол легко.[нужна цитата ] Несмотря на множество применений покрытия, безопасность для окружающей среды и работников остается проблемой.[нужна цитата ] В Международная морская организация имеет множество правил и политик по защите воды от потенциально опасных добавок.[нужна цитата ]

Отталкивающие свойства супергидрофобных покрытий составляют тонкую микро- или наноструктуру - эту структуру легко повредить при истирании или очистке; поэтому покрытия чаще всего используются на таких вещах, как электронные компоненты, которые не подвержены износу. Объекты, подверженные постоянному трению, такие как корпуса лодок, потребуют постоянного повторного нанесения такого покрытия для поддержания высоких характеристик.

Области применения: -Благодаря исключительному отталкиванию, а в некоторых случаях бактериальной устойчивости гидрофобных покрытий наблюдается большой энтузиазм.[от кого? ] благодаря их широкому потенциалу 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. Новые текстуры поверхности нержавеющей стали чрезвычайно прочны и постоянно гидрофобны. Оптически эти поверхности выглядят как однородная матовая поверхность, но на микроскопическом уровне они состоят из округлых углублений глубиной от одного до двух микрон на 25-50% поверхности. Эти поверхности предназначены для зданий, которые никогда не нуждаются в очистке.[15]

В Интернете есть много нехимических компаний, предлагающих супергидрофобные покрытия для различных непригодных применений. Прежде чем пытаться использовать эту технологию, важно понять науку об этих покрытиях:

  • Вместо использования атомов фтора для репеллентности, как многие успешные гидрофобные проникающие герметики (не супер гидрофобные), супергидрофобные продукты представляют собой покрытие - они работают, создавая структуру микро- или наноразмеров на поверхности, которая обладает супертталкивающими свойствами.
  • Эти крошечные структуры по своей природе очень хрупкие и очень легко повреждаются в результате износа, очистки или любого рода трения; если структура повреждена даже незначительно, она теряет свои супергидрофобные свойства.[нужна цитата ] Эта технология основана на микроструктуре волосков кувшинок, благодаря которым вода просто скатывается. Немного потрите лист лилии, и он больше не будет супергидрофобным. В отличие от листа лилии, который может зажить и отрастить новые волосы, покрытие этого не сделает.
  • В результате, если достижения не помогут устранить выявленную слабость этой технологии, ее применение ограничено. Он используется в основном в герметичных средах, которые не подвержены износу или чистке, например, в электронных компонентах (например, внутри смартфонов) и ребрах теплопередачи кондиционеров, для защиты от влаги и предотвращения коррозии.[16]

Поверхности можно сделать гидрофобными без использования покрытия, в том числе за счет изменения микроскопических контуров их поверхности. Основа гидрофобности - это создание углублений на поверхности, на смачивание которых расходуется больше энергии, чем на перекрытие углублений. Эта так называемая поверхность с эффектом Венцеля или поверхность с эффектом лотоса имеет меньшую площадь контакта на величину, пропорциональную площади углубления, что дает ей высокий угол контакта. Углубленная поверхность имеет пропорционально уменьшенное притяжение посторонних жидкостей или твердых частиц и постоянно остается чистой. Это эффективно использовалось для крыш и ненесущих стен конструкций, которые требуют минимального обслуживания или вообще не требуют его.[15]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Ричард, Дени, Кристоф Клане и Дэвид Кере. «Поверхностные явления: время контакта прыгающей капли». Nature 417.6891 (2002): 811-811
  2. ^ Яхуа Лю, Лиза Моэвиус, Синьпэн Сюй, Тиечжэн Цянь, Юлия М Еоманс, Цзуанкай Ван. «Блин, подпрыгивающий на супергидрофобных поверхностях». Nature Physics, 10, 515-519 (2014).
  3. ^ Симпсон, Джон Т .; Хантер, Скотт Р .; Айтуг, Толга (2015). «Супергидрофобные материалы и покрытия: обзор». Отчеты о достижениях физики. 78 (8): 086501. Дои:10.1088/0034-4885/78/8/086501. PMID  26181655.
  4. ^ Мэн, Хайфэн; Ван, Шутао; Си Цзиньминь; Тан, Чжиюн; Цзян, Лэй (2008). «Простые средства подготовки суперамфифобных поверхностей на обычных технических металлах». Журнал физической химии C. 112 (30): 11454–11458. Дои:10.1021 / jp803027w.
  5. ^ Hu, Z .; Дзен, X .; Gong, J .; Дэн, Ю. (2009). «Повышение водостойкости бумаги супергидрофобной модификацией микрочипом CaCO3 и покрытием из жирных кислот». Коллоиды и поверхности A: физико-химические и технические аспекты. 351 (1–3): 65–70. Дои:10.1016 / j.colsurfa.2009.09.036.
  6. ^ Lin, J .; Chen, H .; Fei, T .; Чжан, Дж. (2013). «Сверхпрозрачное супергидрофобное органо-неорганическое нанопокрытие из агрегации наночастиц кремнезема». Коллоиды и поверхности A: физико-химические и технические аспекты. 421: 51–62. Дои:10.1016 / j.colsurfa.2012.12.049.
  7. ^ Das, I .; Mishra, M. K; Medda, S.K; Де, Г. (2014). «Прочные супергидрофобные пленки ZnO – SiO2: новый подход к повышению стойкости к истиранию наночастиц SiO2, функционализированных триметилсилилом, на стекле» (PDF). RSC Advances. 4 (98): 54989–54997. Дои:10.1039 / C4RA10171E.
  8. ^ Торунь, Илькер; Челик, Нусрет; Хенсер, Мехмет; Es, Firat; Эмир, Джансу; Туран, Расит; Онсес, М.Сердар (2018). «Водостойкие и антиотражающие супергидрофобные поверхности, изготовленные методом распыления наночастиц: разработка интерфейса с помощью полимеров с привитыми концами». Макромолекулы. 51 (23): 10011–10020. Дои:10.1021 / acs.macromol.8b01808.
  9. ^ Варсингер, Дэвид Э.М.; Сваминатан, Джайчандер; Maswadeh, Laith A .; Линхард V, Джон Х. (2015). «Супергидрофобные поверхности конденсатора для перегонки через мембрану с воздушным зазором». Журнал мембрановедения. Elsevier BV. 492: 578–587. Дои:10.1016 / j.memsci.2015.05.067. HDL:1721.1/102500.
  10. ^ Servi, Amelia T .; Гильен-Бурриеза, Елена; Уорсингер, Дэвид Э.М.; Ливернуа, Уильям; Нотаранджело, Кэти; Харраз, Джехад; Lienhard V, John H .; Арафат, Хасан А .; Глисон, Карен К. (2017). «Влияние толщины и конформности пленки iCVD на проницаемость и смачивание MD мембран» (PDF). Журнал мембрановедения. Elsevier BV. 523: 470–479. Дои:10.1016 / j.memsci.2016.10.008. HDL:1721.1/108260.
  11. ^ Шан Х.М., Ван И, Лиммер С.Дж., Чжоу Т.П., Такахаши К., Цао ГЗ (2005). «Оптически прозрачные супергидрофобные пленки на основе кремнезема». Тонкие твердые пленки. 472 (1–2): 37–43. Дои:10.1016 / j.tsf.2004.06.087.
  12. ^ «Супергидрофобные покрытия NeverWet - это именно то, что подразумевает его название» (PDF). Truworth Homes. Получено 27 декабря 2019.
  13. ^ «Как применять средство от дождя NeverWet». Руст-Олеум. 2 февраля 2016 г.. Получено 27 декабря 2019 - через YouTube.
  14. ^ Dai, S .; Дин, Вт .; Wang, Y .; Zhang, D .; Ду, З. (2011). «Изготовление гидрофобных неорганических покрытий на натуральных листьях лотоса для наноимпринтных штампов». Тонкие твердые пленки. 519 (16): 5523. arXiv:1106.2228. Bibcode:2011TSF ... 519.5523D. Дои:10.1016 / j.tsf.2011.03.118.
  15. ^ а б Макгуайр, Майкл Ф., «Нержавеющая сталь для инженеров-проектировщиков», ASM International, 2008.
  16. ^ Милионис, Афанасий; Лот, Эрик; Байер, Илькер С. (2016). «Последние достижения в области механической прочности супергидрофобных материалов». Достижения в области коллоидов и интерфейсной науки. 229: 57–79. Дои:10.1016 / j.cis.2015.12.007. PMID  26792021.