Створення водовідштовхувальних органо-мінеральних покриттів з використанням наночастинок 8Ю2
Вантажиться...
Дата
2023
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім.Ігоря Сікорського
Анотація
Дисертація на здобуття ступеня доктора філософії за спеціальністю 161 - хімічні технології та інженерія - Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023.
Дисертація присвячена розробці методів створення водовідштовхуючих покриттів з використанням наночастинок Бі02. Такі покриття можуть бути використані в текстильній, аерокосмічній, автомобільній, судно- та літакобудівній галузях. Введення діоксиду кремнію до складу покриттів такого типу дозволяє значно зменшити їх вартість, збільшити функціональність за рахунок контрольованої модифікації наночастинок та зменшити негативний вплив на організм людини та навколишнє середовище.
Кремнезем широко поширений, легкодоступний, чистий та безпечний по відношенню до людського організму та довкілля матеріал, який знайшов застосування у багатьох сучасних технологіях. Відносно доступні шляхи синтезу та направленої модифікації наночастинок Бі02 дають можливість використовувати цей матеріал в якості основного компонента водовідштовхуючих покриттів. Модифікації підлягають як розміри і конфігурація частинок кремнезему, так і поверхня цих частинок з метою надання їм гідрофобних властивостей. Контроль морфології частинок Бі02 дає можливість отримувати на виході продукти мікро- та нано- масштабу, що відкриває шлях до створення ієрархічних поверхневих структур. Саме такими структурами володіють усі відомі природні приклади водовідштовхуючих поверхонь, які й намагається відтворити сучасна наука. Поєднання необхідних геометричних та гідрофобних параметрів частинок діоксиду кремнію дає можливість отримувати покриття, здатні найбільш ефективно виконувати перелічені вище водовідштовхувальні функції.
Встановлено, що передумовою для створення водовідштовхуючих покриттів є комбінація низькоенергетичної поверхні та наявність просторової рельєфної структури на ній. При чому для підвищення ефективності таких покриттів рельєфна структура має бути утворена нерівностями мікро- та наномасштабу. Використаний в роботі діоксид кремнію повністю відповідає цим вимогам і дає можливість одержувати покриття з високими водовідштовхувальними властивостями.
Показано вплив зміни концентрацій основних реагентів процесу, а також температури та тривалості проведення реакції. Характер концентраційних залежностей тетраетоксисилану, аміаку та води має чітко виражений екстремальний характер з максимумом для кожного окремого реагенту, що може бути пояснено балансом між процесами гідролізу, конденсації та агрегації частинок - продукту реакції. Показано, що температура також є важливим фактором регулювання розміру частинок. Збільшення температури дозволяє знижувати цей параметр до 4-5 разів, що пояснюється підвищенням теплової рухливості олігомерів під час конденсації. У той же час, існує певна межа температури, при якій система стикається з агрегативною нестійкістю продуктів, що утворюються.
Показано, що зміна діелектричної проникності розчинника може служити інструментом для регулювання розмірів частинок діоксиду кремнію.
Сформульовано та описано основні методи регулювання розміру частинок діоксиду кремнію. Залежно від заданого розміру частинок кремнезему, варіюючи вище описані параметри розглянутими в роботі методами, можливий синтез частинок розміром від сотень нанометрів до мікрометрів.
В роботі було виявлено залежність між полярністю розчинника та розмірами наночастинок SiO2 в ході синтезу Стобера. Встановлено, що введення розчинників з переважаючими дисперсійним та полярним параметрами Хансена дозволяє збільшити розмір отриманих частинок діоксиду кремнію від 500 до 1400 нм. Показано, що використання неполярних розчинників, наприклад ксилолу, у кількостях >50 мас. % дає можливість отримати частинки більшого розміру, в порівнянні з тими, що утворюються при наявності в розчині порівняно більш високополярних розчинників, як то тетрагідрофуран чи етилацетат.
Незважаючи на те, що гранулометричний склад у більшості досліджених випадків став ширшим після заміни розчинника зі звичайного етанолу, було виявлено, що використання невеликих кількостей апротонного ТГФ і етилацетату призводить до його загострення.
Загалом встановлено, що збільшення розміру частинок діоксиду кремнію може бути досягнуто за рахунок використання розчинників з високими значеннями дисперсійного та полярного параметрів Хансена та низьким показником водневої взаємодії.
Встановлено, що критична концентрація наповнювача залежить від будови ланцюга плівкоутворювача. Так, для покриттів на основі відносно лінійного стиролакрилового співполімеру АС-80 критична концентрація становить 6 мас. % діоксиду кремнію по відношенню до маси полімеру. В той же час для більш розгалуженого ацетату бутирату целюлози критична концентрація досягається за наявності 30 мас. % частинок БЮ2.
За допомогою графічних залежностей кута змочування, поверхневої енергії та зображень СЕМ отриманих покриттів показано, що водовідштовхуючі властивості покриттів на основі стирол-акрилу та ацетату бутирату целюлози відрізняються в незначній мірі при досягненні критичної концентрації наповнювача. Таким чином, кут змочування покриттів на основі стирол-акрилу становить 134°, а ацетату бутирату - 127°, що вказує на однотипність просторової структури, утвореної на поверхні покриттів при наповненні гідрофобізованим діоксидом кремнію.
Показано, що використання системи наповнювачів дає змогу значно зменшити показник критичної концентрації покриттів. Це простежується на прикладі покриттів на основі стирол бутилметакрилату, критична концентрація для котрих при самостійному введенні діоксиду кремнію становить 50 мас. %, а за присутності в складі композиції подрібненого мармуру цей показник для БЮ2 зменшується до 3 мас. %.
Доведено ефективність використання гетерогенних наповнених систем з гібридною мікро- та наноструктурою в порівнянні з гомогенними. Так, кут змочування покриттів на основі стирол бутилметакрилату, наповнених подрібненим
мармуром та гідрофобізованим діоксидом кремнію становить 160°, в той час як покриття на основі стирол-акрилу та ацетату бутирату целюлози наповнені лише гідрофобізованими частинками SiO2 мають показники у 134 і 127° відповідно.
За допомогою СЕМ мікроскопії було досліджено зміну морфології покриттів в залежності від зміни концентрації наповнювача.
Розглянуто можливості створення супергідрофобних поверхонь з подвійною нано- та мікроструктурною організацією. Встановлено, що мікроструктури, утвореної в ході лазерної абляції поверхні оксиду алюмінію, недостатньо для досягнення супергідрофобного стану поверхні.
Встановлено що тип модифікатора, який використовується для зниження поверхневої енергії наноструктури відіграє визначальну роль в питанні стабільності стану Касі при зниженні поверхневого натягу тестових рідин. Зокрема, заміна вуглеводневих модифікаторів, а саме поліетиленового воску та олеїнової кислоти на н-октилтриалкоксисилан та його фторований аналог дозволяє знизити поверхневу енергію переходу з 56-65 до 46-49 мН/м. Значення статичних кутів змочування водою при цьому залежить від типу модифікатору в меншому ступені.
Показано, що при створенні базової мікроструктури екстрактивним методом (наприклад, шляхом лазерної абляції) і використанні адитивних покриттів на основі наночастинок SiO2 та органічної полімерної матриці вдається значно підвисити стабільність стану Касі та показники кутів змочування на 18-20 градусів у порівнянні з показниками мікротекстури.
Вперше отримано водовідштовхуючу поверхню шляхом поєднання попередньо одержаної методом лазерної абляції мікроструктури на поверхні оксиду алюмінію з наноструктурою отриманою використанням діоксиду кремнію. Таким чином, шляхом обробки мікроструктурованої поверхні алюмінію
кремнеземвмісними сполуками (ОСТЕО, POTS) вдалося отримати покриття з кутом змочування водою 160°.
Опис
Ключові слова
водовідштовхувальні покриття, наночастинки, діоксид кремнію, композиційні матеріали, гідрофобність, ієрархічна структура, модифікація, золь-гель метод, water-repellent coatings, nanoparticles, silicon dioxide, composite materials, hydrophobicity, hierarchical structure, modification, sol-gel technology
Бібліографічний опис
Сіволапов, П. В. Створення водовідштовхувальних органо-мінеральних покриттів з використанням наночастинок 8Ю2 : дис. … д-ра філософії : 161-хімічні технології та інженерія / Сіволапов Павло Володимирович. – Київ, 2023. – 151 с.