Одержання мікро- та нанотекстурованих водовідштовхуючих органомінеральних поверхонь

Ескіз

Файли

Baklan_dys.pdf (16.24 MB)

Дата

2023

Автори

Науковий керівник

Миронюк, Олексій Володимирович

Назва журналу

Номер ISSN

Назва тому

Видавець

КПІ ім. Ігоря Сікорського

Анотація

Баклан Д. В. Одержання мікро- та нанотекстурованих водовідштовхуючих органо-мінеральних поверхонь. - Кваліфікаційна праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 161 Хімічні технології та інженерія. - Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Хіміко-технологічний факультет, Київ, 2023. Дисертація присвячена встановлення закономірностей одержання текстурованих поверхонь з високим водовідштовхуючими властивостями, порівнянню та оцінці ефективності поверхонь отриманих екстрактивним методом, що полягає у абляції фемтосекундним лазером, та адитивним методом, що полягає у пневматичному напиленню для отримання органомінерального покриття, у якому текстура формується частинками наповнювачів. У першому розділі було проведено аналіз існуючих методів створення водовідштовхуючих поверхонь. Розглянуто підходи до формування текстури на поверхнях, що включає створення мікро- та наноструктури, методи обробки отриманих текстур для збільшення водовідштовхуючих властивостей, шляхом модифікації речовинами, які знижують поверхневий натяг поверхні. Було проаналізовано теоретичні моделі для прогнозування властивостей, а саме куту змочування водою від геометричних особливостей структур на поверхні. Відповідно до проведеного аналізу, показано, що використання ієрархічних текстур, що полягають у поєднанні мікро- та нанорозмірних структур, є більш ефективним і дозволяє досягти супергідрофобного стану. Було проаналізовано проблеми, які виникають в експлуатаційних умовах: низька механічна стійкість, нестійкість стану Кассі, втрата водовідштовхуючих властивостей при тривалій дії УФ випромінення. Показано, що для більшого розповсюдження таких поверхонь існує проблема масштабованості, що обмежує застосування на субстратах великої площі. Проаналізовано методи випробування водовідштовхуючих поверхонь. У другому розділі було обґрунтовано вибір екстрактивного методу текстурування поверхонь металів, суть якого базується на абляції за допомогою фемтосекундного лазеру, що дозволяє формувати мікро- та нанотекстуру з використанням методики LIPSS та зменшити розміри напливів від розплавлення металу. Обґрунтовано вибір адитивної технології для створення текстурованих поверхонь, які мають водовідштовхуючі властивості, що полягає у формуванні тонкого шару полімерного покриття і складається з плівкоутворювача та неорганічних частинок, які формують мікро- та нанотекстуру на поверхні. Нанесення покриття адитивним методом відбувається з використанням технології звичної для лакофарбових матеріалів, що вирішує проблему масштабованості та сприяє зниженню собівартості. Було здійснено вибір неорганічних наповнювачів для створення мікротекстури, якими є поширені та доступні матеріали з необхідною формою частинок та гранулометричним розподілом, а для створення нанорівня використовується пірогенний діоксид кремнію. Здійснено вибір модифікаторів для зниження поверхневої енергії отриманих текстур, для обох методів одержання обґрунтовано використання аліфатичних, кремнійорганічних та фторкремнійорганічних сполук, але для модифікації кальциту використовується стеаринова кислота. Проведено вибір інструментальних методів. Для дослідження топографії вибрано метод скануючої електронної мікроскопії, а для дослідження хімічного складу отриманих поверхонь та наповнювачів вибрано метод ІЧ спектроскопії. Для визначення параметрів змочуваності було модифіковано існуючі методики для збільшення точності. Вибрано методи оцінки стійкості під впливом факторів зовнішнього середовища – абразивної дії, води, УФ випромінення та їх комбінації. У третьому розділі було показано, що за допомогою фемтосекундної лазерної абляції можна отримувати мікротекстури, нанотекстури. у вигляді фракталоподібних структур, та ієрархічні текстури на анодованому та неанодованому алюмінії марки 6061 з високою точністю. Показано, що на поверхні текстурованого алюмінію без додаткової обробки в атмосферичних умовах утворюється гідрофобний шар – самогідрофобізація, що у результаті дає кути змочування водою до 160, при цьому стан Кассі є стабільним при значеннях поверхневого натягу рідини вище 55-57 мН/м. Встановлено, що використання алкоксисиланів та фторованихалкоксисиланів є ефективними засобами для модифікації поверхні алюмінію. У результаті отримано кут змочування водою 164 для нанотекстури та 160 для мікротекстури у випадку використання фторсилану, а при використанні алкоксисилану 152 та 144 для нанотекстури та мікротекстури відповідно. Показано, що модифікація поверхні дозволяє збільшити стабільність стан Кассі для рідин з поверхневим натягом вище 44 мН/м. Було показано, що метод Зісмана є зручним інструментом для характеризації стійкості до рідин з різним поверхневим натягом. Загальний вигляд кривої на графіку Зісмана на Sподібну з точками перегину: точку початку і кінцю переходу зі стану Кассі до стану Венцеля, що визначає стійкість отриманої поверхні до змочування рідинами зі зниженим поверхневим натягом. Встановлено, що положення точки початку переходу у стан Венцеля залежить від модифікатора. Рівняння Кассі є придатним для прогнозування кута змочування для впорядкованих текстур, але прогнозування стабільності стану Кассі не є точним і дає занижені значення для нанотекстур, що обумовлено високою розвиненістю поверхні і неможливістю врахування геометричних особливостей. У четвертому розділі було показано, що для отримання водовідштовхуючих покриттів можна використовувати адитивний метод, який включає у себе звичайні для лакофарбової промисловості технології створення композиції, що полягає у нанесенні покриття пневматичним способом та подальше видалення розчинника для формування структурованого шару. Показано, що для створення текстури можуть використовуватися мікрочастинки карбонату кальцію, які попередньо було модифіковано стеариновою кислотою, та наночастинок пірогенного кремнезему, які попередньо було оброблено диметилдихлорсиланом. Як плівкоутворювач було використано ацетат-бутират целюлози та стиролбутилметакрилатний полімер. Показано, що використання обробленого стеариновою кислотою карбонату кальцію дозволяє отримати водовідштовхуючі властивості, що характеризуються кутами змочування 125-130 при цьому критична концентрація спостерігається при мінімум 75 мас. % наповнювача. Для наночастинок кремнезему це значення знаходиться у проміжку 8-20 мас. %. Показано, що використання полімерів, які утворюють кристалоподібну структуру на поверхні, не впливає на показники куту змочування водою, а у окремих випадках знижують це значення. Було встановлено, що використання наночастинок для формування текстури поверхонь адитивним методом дозволяє досягти високих водовідштовхуючих властивостей, які характеризується значеннями кута змочування водою в межах 130-145. Було показано, що ієрархічні поверхні в яких використовується декілька фракцій наповнювача, дають кращі водовідштовхуючі властивості, при яких кут змочування водою досягає 150. При цьому критична концентрація наповнювачів складає 87 мас. %. Також встановлено, що поєднання екстрактивного методу для створення мікротекстури та адитивного методу для створення нанотекстури у випадку обробки анодованого алюмінію, дозволяє покращити водовідштовхуючі властивості, при яких кут змочування збільшується на 7-12. Стабільність стану Кассі при цьому для текстури у вигляді стовпчиків не покращується, але для текстури у вигляді отворів нанесення шару наночастинок дозволяє збільшити стабільність. У п’ятому розділі було встановлено, що руйнування компонентів покриття під дією УФ випромінювання відбувається з різною швидкістю. Першим зазнає впливу полімер, що призводить до утворення полярних груп на поверхні, а при подальшій дії УФ випромінювання відбувається руйнування органічного модифікатора на поверхні частинок наповнювача. Матеріали оброблені силоксановими модифікаторами є більш стійкими до УФ випромінювання ніж оброблені органічними кислотами. Встановлено, що дія води полягає у відриві частинок, що утворюють текстуру, що призводить до втрати гідрофобності за рахунок збільшення концентрації полімеру. При комбінованій дії УФ випромінювання та потоку води покриття, що мають текстуру з мікрочастинок мають більшу стійкість ніж покриття на основі наночастинок. У роботі було запропоновано послідовність руйнування мікрота нанотекстурованих водовідштовхуючих органо-мінеральних поверхонь, яка полягає у поєднанні швидкості відриву дисперсних частинок, через деструкцію модифікатора на поверхні, дії потоку води та деструкції полімеру. Показано, що для абразивної стійкості ієрархічних текстур утворених нано- та двома фракціями мікронаповнювачів, крупна фракція мікронаповнювача має вирішальну роль. При цьому оптимальні показники механічні стійкості забезпечується у поєднанні з дрібнодисперсним наповнювачем при співвідношенні, яке забезпечує щільну упаковку частинок, що дозволяє збільшити зносостійкість до 20 % у порівнянні з покриттями, які мають тільки одну фракцію наповнювача. Встановлено послідовність руйнування ієрархічних покриттів, де спершу відбувається абляція нанорозмірного наповнювача, що збільшує кут скочування води до 50 градусів, а далі утворюються та збільшуються тріщини на поверхні, що призводить до відшарування композиції. У роботі вперше встановлено, що текстури створені за допомогою абляції фемтосекундним лазером на анодованому алюмінії марки 6063 мають рівну поверхню без нанорівня, але на неанодованому алюмінії текстура отримується з ієрархічною структурою, що дозволяє збільшити кут змочування. Було вперше описана послідовність руйнування при комплексній дії УФ випромінювання та потоку води для текстурованих нанота мікрочастинками наповнювачів поверхонь у полімерних композиціях, де першим зазнає впливу полімер, що призводить до утворення полярних груп на поверхні, далі відбувається руйнування органічного модифікатора на поверхні частинок наповнювача, а потік води спричиняє відрив частинок, що призводить до втрати гідрофобності за рахунок збільшення концентрації полімеру. Вперше продемонстровано можливість поєднання екстрактивного методу для створення мікротекстури з адитивним методом для створення нанотекстури та оцінено отримані водовідштовхуючі властивості та стабільність гідрофобного стану. Вперше показано послідовність руйнування ієрархічних покриттів у яких використовується нанонаповнювач та дві фракції мікронаповнювача в умовах абразивного зносу потоком частинок кварцу, де спершу відбувається абляція нанорозмірного наповнювача, що збільшує кут скочування води, а далі утворюються та збільшуються тріщини на поверхні, що призводить до відшарування композиції. У роботі запропоновано способи одержання водовідштовхуючих поверхонь екстрактивним методом на поверхні анодованого та неанодованого алюмінію. Продемонстровано та випробувано методи отримання гідрофобних органо-мінеральних поверхонь, що мають мікро- та нанотекстуру. Сформульовані під час виконання роботи наукові положення та експериментальні підходи було впроваджено у курс «Експлуатаційна надійність композиційних матеріалів», освітньо-професійної програми другого (магістерського) рівня вищої освіти «Хімічні технології неорганічних в'яжучих речовин, кераміки, скла та полімерних і композиційних матеріалів» на кафедрі ХТКМ КПІ ім. Ігоря Сікорського за спеціальністю 161 «Хімічні технології та інженерія». Подано заявку на патент України на корисну модель № u202301147.

Опис

Ключові слова

наночастинки, кремнезем, карбонат кальцію, мікрочастинки, гідрофобність, текстура, органо-мінеральні покриття, силани, змочування, фемтосекундний лазер, УФ стійкість, деградація, композит, модифiкацiя структури, стабілізація, nanoparticles, silica, calcium carbonate, microparticles, hydrophobicity, texture, organo-mineral coatings, silanes, wetting, femtosecond laser, UV resistance, degradation, composite, structure modification, stabilization

Бібліографічний опис

Баклан, Д. В. Одержання мікро- та нанотекстурованих водовідштовхуючих органо-мінеральних поверхонь : дис. … д-ра філософії : 161 Хімічні технології та інженерія / Баклан Денис Віталійович. – Київ, 2023. – 183 с.

URI

https://ela.kpi.ua/handle/123456789/61985

DOI

Зібрання

Дисертації (ХТКМ)
Дисертації (вільний доступ)