Створення водовідштовхувальних органо-мінеральних покриттів з використанням наночастинок 8Ю2
| dc.contributor.advisor | Миронюк, Олексій Володимирович | |
| dc.contributor.author | Сіволапов, Павло Володимирович | |
| dc.date.accessioned | 2024-01-29T09:29:19Z | |
| dc.date.available | 2024-01-29T09:29:19Z | |
| dc.date.issued | 2023 | |
| dc.description.abstract | 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°. | uk |
| dc.description.abstractother | Sivolapov P.V. Creation of water-repellent organo-mineral coatings using SiO2 nanoparticles. - Qualification scientific paper, manuscript. Doctor of Philosophy dissertation, specialty 161 - chemical technologies and engineering - National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2023. The dissertation is devoted to the development of methods for creating waterrepellent coatings using SiO2 nanoparticles. Such coatings can be used in the textile, aerospace, automotive, shipbuilding and aircraft industries. The introduction of silicon dioxide into the composition of coatings of this type allows to significantly reduce of their cost, increase functionality due to the controlled modification of nanoparticles, and reduce the negative impact on the human body and the environment. Silica is a widespread, easily accessible, clean and safe material for the human body and the environment, which has found application in many modern technologies. Relatively accessible ways of synthesis and directional modification of SiO2 nanoparticles make it possible to use this material as the main component of water-repellent coatings. Both the size and configuration of silica particles and the surface of these particles are subject to modification in order to give them hydrophobic properties. Controlling the morphology of SiO2 particles makes it possible to obtain micro- and nano-scale products at the output, which opens the way to the creation of hierarchical surface structures. All known natural examples of water-repellent surfaces possess precisely such structures, which modern science is trying to reproduce. The combination of the necessary geometric and hydrophobic parameters of silicon dioxide particles makes it possible to obtain coatings that can most effectively perform the water-repellent functions listed above. It was established that the prerequisite for creating water-repellent coatings is the combination of a low-energy surface and the presence of a spatial relief structure on it. Moreover, in order to increase the efficiency of such coatings, the relief structure must be formed by micro- and nanoscale irregularities. The silicon dioxide used in the work fully meets these requirements and makes it possible to obtain a coating with high waterrepellent properties. The effect of changing the concentrations of the main reagents of the process, as well as the temperature and duration of the reaction is shown. The nature of the concentration dependences of tetraethoxysilane, ammonia, and water has a clearly expressed extreme character with a maximum for each individual reagent, which can be explained by the balance between the processes of hydrolysis, condensation, and aggregation of the reaction product particles. It has been shown that temperature is also an important factor in regulating particle size. Depending on the given size of silica particles, by varying the parameters described above by the methods discussed in the paper, it is possible to synthesize particles with a size from hundreds of nanometers to micrometers. In the paper, the dependence between the polarity of the solvent and the size of SiO2 nanoparticles during Stober's synthesis was revealed. It was established that the introduction of solvents with predominant dispersive and polar Hansen parameters allows to increase the size of the obtained silicon dioxide particles from 500 to 1400 nm. It is shown that the use of non-polar solvents, such as xylene, in quantities > 50 wt. % makes it possible to obtain particles of a larger size, compared to those formed in the presence of comparatively more polar solvents in the solution, such as tetrahydrofuran or ethyl acetate. Despite the fact that the granulometric composition in most of the studied cases became wider after replacing the solvent with ordinary ethanol, it was found that the use of small amounts of aprotic THF and ethyl acetate leads to its exacerbation. In general, it was established that an increase in the size of silicon dioxide particles can be achieved due to the use of solvents with high values of dispersion and polar parameters of Hansen and a low index of hydrogen interaction. It was established that the critical concentration of the filler depends on the structure of the film-forming chain. Thus, for coatings based on relatively linear styrene-acrylic copolymer AC-80, the critical concentration is 6 wt. % of silicon dioxide in relation to the weight of the polymer. At the same time, for the more branched cellulose butyrate acetate, the critical concentration is reached in the presence of 30 wt. % of SiO2 particles. With the help of graphical dependences of the wetting angle, surface energy and SEM images of the obtained coatings, it is shown that the water-repellent properties of coatings based on styrene-acrylic and cellulose butyrate acetate differ slightly when the critical concentration of the filler is reached. Thus, the wetting angle of coatings based on styrene-acrylic is 134°, and that of acetate butyrate is 127°, which indicates the uniformity of the spatial structure formed on the surface of the coatings when filled with hydrophobized silicon dioxide. It is shown that the use of a system of fillers makes it possible to significantly reduce the indicator of the critical concentration of coatings. This can be seen on the example of styrene-butyl methacrylate coatings, the critical concentration for which when silicon dioxide is introduced independently is 50 wt. %, and with the presence of crushed slag in the composition, this indicator for SiO2 decreases to 3 wt. %. The effectiveness of the use of heterogeneous filled systems with a hybrid microand nanostructure compared to homogeneous ones has been proven. Thus, the wetting angle of coatings based on styrene-butyl methacrylate filled with grinded marble and hydrophobized silicon dioxide is 160°, while coatings based on styrene-acrylic and cellulose acetate butyrate filled only with hydrophobized SiO2 particles have values of 134 and 127°, respectively. With the help of SEM microscopy, the change in the morphology of the coatings depending on the change in the concentration of the filler was investigated. The possibilities of creating superhydrophobic surfaces with dual nano- and microstructural organization are considered. It was established that the microstructure formed during laser ablation of the aluminum oxide surface is not sufficient to achieve a superhydrophobic state of the surface. It was established that the type of modifier used to reduce the surface energy of the nanostructure plays a decisive role in the issue of stability and the Cassie state when the surface tension of the test liquids decreases. In particular, the replacement of hydrocarbon modifiers, namely polyethylene wax and oleic acid, with n-octyltrialkoxysilane and its fluorinated analogue allows to reduce the surface transition energy from 56-65 to 46-49 mN/m. The value of the static angles of water wetting depends on the type of modifier to a lesser extent. It is shown that when creating the basic microstructure by an extractive method (for example, by laser ablation) and using additive coatings based on SiO2 nanoparticles and an organic polymer matrix, it is possible to significantly increase the stability of the Cassie state and the indicators of the wetting angles by 18-20 degrees compared to the indicators of the microtexture. For the first time, a water-repellent surface was obtained by combining the previously obtained laser ablation microstructure on the surface of aluminum oxide with the nanostructure obtained using silicon dioxide. Thus, by treating the microstructured surface of aluminum with silicon-containing compounds (OSTEO, POTS), it was possible to obtain a coating with a water wetting angle of 160°. | |
| dc.format.extent | 151 с. | uk |
| dc.identifier.citation | 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. | uk |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/64069 | |
| dc.language.iso | uk | uk |
| dc.publisher | КПІ ім.Ігоря Сікорського | uk |
| dc.publisher.place | Київ | uk |
| dc.subject | водовідштовхувальні покриття | uk |
| dc.subject | наночастинки | uk |
| dc.subject | діоксид кремнію | uk |
| dc.subject | композиційні матеріали | uk |
| dc.subject | гідрофобність | uk |
| dc.subject | ієрархічна структура | uk |
| dc.subject | модифікація | uk |
| dc.subject | золь-гель метод | uk |
| dc.subject | water-repellent coatings | uk |
| dc.subject | nanoparticles | uk |
| dc.subject | silicon dioxide | uk |
| dc.subject | composite materials | uk |
| dc.subject | hydrophobicity | uk |
| dc.subject | hierarchical structure | uk |
| dc.subject | modification | uk |
| dc.subject | sol-gel technology | uk |
| dc.subject.udc | 667.634:667.637:544.72.05 | uk |
| dc.title | Створення водовідштовхувальних органо-мінеральних покриттів з використанням наночастинок 8Ю2 | uk |
| dc.type | Thesis Doctoral | uk |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Sivolapov_dys.pdf
- Розмір:
- 12 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
- Опис:
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 1.71 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: