Наукові засади створення структури органомінеральних поверхонь зі сталою супергідрофобністю
Вантажиться...
Дата
2024
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Миронюк О.В. НАУКОВІ ЗАСАДИ СТВОРЕННЯ СТРУКТУРИ ОРГАНОМІНЕРАЛЬНИХ ПОВЕРХОНЬ ЗІ СТАЛОЮ СУПЕРГІДРОФОБНІСТЮ. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.17.11 «Технологія тугоплавких неметалічних матеріалів». - Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», МОН України, Київ, 2024.
Дисертація присвячена розробці наукових засад отримання супергідрофобних поверхонь з регульованою структурою та фізико-хімічними властивостями за рахунок застосування екстрактивних методів текстурування, в тому числі абляції поверхонь металів та їх оксидів фемтосекундним лазером з одержанням мікро- та нанорозмірних текстур та адитивного методу одержання органо-мінеральних поверхонь з використанням частинок тугоплавких неметалічних речовин як формуючих текстуру наповнювачів полімерних композицій. У першому розділі проведено аналіз основних підходів до створення поверхонь з підвищеною водовідштовхувальною здатністю, формування їх структурних особливостей та методів забезпечення стійкості в умовах експлуатації. Проаналізовано теоретичні підходи та прогностичні моделі, що встановлюють взаємозв’язок між структурними особливостями таких поверхонь і значеннями рівноважних кутів змочування. Показано що при одержанні поверхонь з високою властивістю водовідштовхування найбільш ефективним є створення ієрархічних дворівневих мікро- нанорозмірних структур. Проаналізовано існуючі способи зниження поверхневої енергії текстурованих поверхонь неорганічних оксидів, силікатів та металів за рахунок хімічної модифікації органічними та сіліційорганічними сполуками. У другому розділі обґрунтовано вибір об’єктів дослідження виходячи з теоретичних основ стабільності стану Касі в залежності від геометричних параметрів структури, зокрема, ієрархічного типу, що одержана адитивним та екстрактивним методами. Для адитивного методу сформульовано критерії підбору компонентів органо-мінеральних композитів а для екстрактивного методу одержання текстури – уточнено параметри роботи фемтосекундного лазеру для створення LIPSS структур на поверхнях металів та мікроструктур на неорганічних поверхнях, встановлено найбільш ефективні текстури для формування водовідштовхувальних властивостей. Окрему увагу приділено методам оцінки поверхневої енергії та змочування досліджуваних поверхонь. Розвинуто класичні методи Зісмана та Оуенса-Вендта для оцінки енергії поверхні текстур а також зміни властивостей водовідштовхування поверхонь в ході прискореного старіння під дією агресивних факторів середовища: УФ випромінювання, температурних коливань, динамічного впливу води, рідин зі зниженим поверхневим натягом тощо. В третьому розділі розглянуто одержання та дослідження елементів, що формують топографію поверхні за адитивним шляхом. Для створення нанорівня текстур використовуються частинки SiO2, одержані добре відтворюваними та масштабованими золь-гель і пірогенним методами. Мікрорівень поверхневої структури формується при використанні дисперсних наповнювачів тонкошарових композитів з різною формою частинок: сферичною, псевдокубічною, волокнистою, лускунчастою та дворівневою. Для кожного типу елементів топографії підібрано відповідний модифікатор для зниження поверхневої енергії. Показано що регулювання у частинок діоксиду кремнію одержаних золь-гель методом Стобера середнього розміру та його розподілу може бути здійснено шляхом варіювання параметрів розчинності Хансена середовища синтезу за рахунок використання парних розчинників. В роботі розглянуто використання ряду дисперсних матеріалів з варіюванням форми та типу поверхні частинок для формування мікрорівня текстури органо-мінеральних покриттів адитивним методом, зокрема: мікронізованого кальциту, перлітового відсіву та валоризованих техногенних відходів: червоного шламу та фільтр-перліту. В четвертому розділі розглядається формування текстури та водовідштовхуючих властивостей адитивних покриттів на основі згаданих дисперсних нано- та мікрочастинок і полімерної матриці, яка забезпечує їх фіксацію на субстратах. Показано, що . використання класичних методів нанесення органо-мінеральних покриттів наливом, пневматичним напиленням та ракелем можуть бути застосовані для одержання водовідштовхуючих поверхонь, здатних до формування стану Касі. Це досягається за умови нанесення композитів з надкритичним вмістом формуючих текстуру дисперсних елементів. Розглянуто фактори формування значення критичної концентрації, що включають розмір частинок, ступінь кристалічності полімеру а також наявність модифікації поверхні. Встановлено, що додатковим ресурсом для збільшення водовідштовхуючої здатності є одночасне використання мікро- та нанорівня організації текстури. Такий ефект може бути реалізовано як за рахунок використання власне гідрофільних ієрархічних структур, так і створення їх з набору мікро- та нанорозмірних гідрофобних частинок. В п’ятому розділі розглянуті особливості формування поверхневих структур екстрактивним методом, зокрема абляцією з використанням фемтосекундного лазера на поверхнях алюмінію та сталі. На відміну від адитивного методу, лазерна абляція дозволяє сформувати упорядковані структури оксидів на поверхні металічних субстратів без необхідності використання полімерної матриці. Показано, що цей метод дозволяє одержувати як мікро- так і нанорозмірні текстури, які після обробки 1H,1H,2H,2H-Перфтороктилтриетоксисиланом характеризуються кутами змочування водою до 160° для нанотекстури і до 154° у випадку мікротекстури. Встановлено що хімічний склад модифікатора відіграє вирішальну роль у формуванні стабільності стану Касі. Використання силанів забезпечує поріг збереження стабільності на рівні 45-50 мДж/м2 в незалежності від характеристичного розміру структури. Перехід до вуглеводневих модифікаторів знижує стійкість підвищуючи ці значення до 55-65 мДж/м2 . В шостому розділі наведено результати досліджень стабільності властивостей водовідштовхувальних покриттів в умовах дії агресивних факторів оточуючого середовища і сформульовано критерії одержання стійких супергідрофобних поверхонь. Розроблена лінійка складів водовідштовхуючих покриттів з ієрархічними структурами. Запропоновано варіанти ефективних водовідштовхуючих структур у яких нанорозмірний рівень представлений гідрофобізованим SiO2, мікророзмірний – гідрофобізованим кальцитом з частинками 4,7 та 25 мкм. Кількість плівкоутворювача збалансована у надкритичному стані. В ході випробування композицій на механічне стирання встановлено що в процесі руйнування вони зберігають значення кутів змочування на рівні 145-155°, тобто при знятті верхніх шарів новоутворена поверхня зберігає водовідштовхувальні властивості. Досліджено стійкість до механічного стирання покриттів на основі мікророзмірного перлітового відсіву, модифікованого поліметилгідридсилоксаном. Показано, що супергідрофобні покриття є чутливими до тривалої дії води у статичних умовах. По суті, це окрім власне контакту рідкої води з текстурованою поверхнею включає і взаємодії її з водяною парою, яка конденсується в порах поверхні, вимушено переводячи контакт зі стану Касі до стану Венцеля, що суттєво знижує кут змочування. Показано що стійкість шарів кремнійорганічного гідрофобізатора на поверхні SiO2 є підвищеною (більше 16 циклів без втрати початкового рівня) у порівнянні з карболанцюговими полімерами та стеариновою кислотою на поверхні меленого кальциту. Показано що найбільш вразливим компонентом текстурованих водовідштовхуючих покриттів є полімерна матриця, а найбільш ефективним модифікуючим агентом для зниження поверхневої енергії елементів текстури є кремнійорганічні сполуки з підвищеною УФ-стійкістю. Встановлено, що у порівнянні зі статичною дією води, її динамічний рух є суттєвим деструкційним фактором як для полімерних плівкоутворювачів, так і для текстур. Втім, при використанні мікрочастинок для формування текстури стійкість покриттів набагато підвищується і при певному співвідношенні відбувається підвищення кутів змочування, що може бути пояснено фрагментарним видаленням зовнішнього гідрофілізованого шару та відкриттям свіжих внутрішніх шарів. Запропоновано способи одержання поверхонь з стійкими водовідштовхуючими властивостями екстрактивним методом на алюмінії та анодованому алюмінії, сталі та адитивним методом для широкої лінійки субстратів. Розроблено уніфіковану схему отримання супергідрофобних поверхонь, в тому числі при використанні модифікованих промислових відходів, яка дозволяє сформувати на поверхні розвинену гідрофобну ієрархічну текстуру, що залишається стабільною в умовах світлового та механічного старіння. Розроблено технологічні схеми одержання та нанесення органо-мінеральних супергідрофобних тонкошарових покриттів а також створення водовідштовхуючих LIPSS- текстур на поверхнях металів шляхом лазерної абляції з наступною гідрофобізацією функціональними силанами. Сформульовані під час виконання роботи наукові положення, прогностичні моделі та експериментальні підходи використано в якості елементів курсів «Основи технології нанокомпозитів», «Спеціальні методи досліджень неорганічних і органічних зв'язуючих та композиційних матеріалів», «Експлуатаційна надійність конструкційних матеріалів» при підготовці бакалаврів та магістрів на кафедрі ХТКМ КПІ ім. Ігоря Сікорського за спеціальністю 161 «Хімічні технології та інженерія». Технічна новизна розробок захищена патентом України на корисну модель № 154355 «Спосіб отримання об’ємного супергідрофобного покриття», розроблено проект Технічних Умов на виробництво адитивних покриттів зі здатністю до самовідновлення, які були апробовані на виробництвах підприємства ТОВ «Альфа-Пласт».
Опис
Ключові слова
наночастинки, полімерна матриця, нанокомпозит, змочування, елементи поверхні, золь-гель синтез, модифікація поверхні, супергідрофобність, матеріали, nanoparticles, polymer matrix, nanocomposite, wetting, surface feature, sol-gel synthesis, surface modification, superhydrophobicity, materials
Бібліографічний опис
Миронюк, О. В. Наукові засади створення структури органомінеральних поверхонь зі сталою супергідрофобністю : дис. … д-ра техн. наук : 05.17.11 – технологія тугоплавких неметалічних матеріалів / Миронюк Олексій Володимирович. – Київ, 2024. – 367 с.