Теоретические сведения

Явления смачивания и несмачивания. Краевой угол

Различные межмолекулярные взаимодействия между жидкостью и твердым материалом приводят к различным свойствам смачивания. Явления смачивания и несмачивания жидкостью поверхности характеризуются углом контакта (краевым углом), определяя ее гидрофильные или гидрофобные свойства. Жидкость с гидрофильной поверхностью образует краевой угол меньше 90°(рис. 7.1, а), с гидрофобной – более 90° (рис. 7.1, б). Поверхности, имеющие с жидкостью краевой угол более 150° градусов, назвали супергидрофобными (рис. 7.1, в).

Краевой угол – основной показатель (индекс), используемый для оценки смачивания твердой поверхности. Обычно он характеризует поведение жидкой капли на твердой поверхности в воздухе и определяется углом между касательной в трехфазной точке и твердой поверхностью. Связь между краевым углом и коэффициентами поверхностного натяжения межфазных границ может быть описана уравнением Юнга:

, (7.1)

где θ_c – краевой угол, γ_SG, γ_SL и γ_LG – коэффициенты поверхностного натяжения раздела границы твердое тело/газ, твердое тело/жидкость и жидкость/газ соответственно. Современные методы измерения угла контакта капель, описанные в литературе, можно разделить на две группы: аналитическую и исключительно методы обработки изображения. Аналитические методы требуют для определения краевого угла некоторые свойства жидкости (например, коэффициент поверхностного натяжения) и обычно не могут измерять краевой угол асимметричных капель (например, капель на наклонных поверхностях). Методы обработки изображений не имеют такого ограничения, поэтому они относятся к общим методам. Но те и другие методы способствуют более глубокому изучению свойств супергидрофобных поверхностей.

Рисунок 7.1 - Краевой угол на гидрофильной (а), гидрофобной (б) и супергидрофобной (в) поверхностях

Состояния Венцеля и Касси-Бакстера

Неровности на супергидрофобных поверхностях могут, как частично заполняться жидкостью, так и вообще вода может не проникать внутрь неровностей. В этих случаях различают два состояния капель воды на твердой поверхности: состояние Вентцеля (рис. 7.2, а) и состояние Касси-Бакстера (рис. 7.2, б).

В состоянии Вентцеля вода проникает в структурированную поверхность, капли становятся шипообразными, что не дает им легко скатываться. В состоянии Касси-Бакстера жидкость лежит сверху структурированной поверхности с газовым слоем. Этот газовый зазор является эффективной границей, обеспечивающей скольжение капли на жидкостно-газовой границе раздела.

а б

Рисунок 7.2 – Состояние Венцеля (а), Касси-Бакстера (б)

Предполагая, что жидкость заполняет пространство между выступами на поверхности (рис. 7.2, а), подход Венцеля коррелирует с кажущимся углом контакта θ' и термодинамическим углом контакта θ как:

(7.2)

где r – коэффициент шероховатости, определяющий отношение между истинной площадью поверхности и ее горизонтальной проекцией. При изменении значения одной из величин (θ', θ, r) происходит закономерное изменение (уменьшение или увеличение) других.

Касси и Бакстер выдвинули идею о том, что поверхность захватывает воздух в полых пространствах шероховатости (рис. 7.2, б), определяя кажущегося угла контакта θ' на супергидрофобной поверхности следующим образом:

(7.3)

где f_LS – доля площади жидкости, контактирующей с твердым телом, f_LV – доля площади жидкости в контакте с захваченным воздухом. При этом:

. (7.4)

Таким образом, гистерезис угла контакта может различать два состояния. При большем гистерезисе капли будут считаться принадлежащими к Венцельскому раствору, входящему в поверхностные канавки. Тогда как при меньших значениях гистерезиса поверхность можно рассматривать как столбчатую структуру, поддерживающую жидкость и уменьшающую доступную площадь.

Жидкость практически не смачивает супергидрофобные поверхности из-за особенного рельефа этих покрытий. На твердой поверхности существуют неровности (полости, микровыступы, ворсинки), заполненные воздухом. Капля жидкости, попадая на такую поверхность, не проникает внутрь неровностей в результате захвата воздуха микроскопическими неровностями.

Получение поверхности с супергидрофобными свойствами

Для получения водоотталкивающей поверхности использовался двухкомпонентный раствор NeverWet Base Coat, который применяется для создания супергидрофобного покрытия на металлических и неметаллических материалах. Это аэрозольное вещество с низкой поверхностной энергией достаточно просто в использовании, обеспечивает необходимую шероховатость поверхности для получения эффекта полного несмачивания и является коммерчески доступным для школьного учителя физики.

NeverWet Base Coat представляет собой новый класс водоотталкивающих покрытий, который заставляет капли воды образовывать почти идеальные сферы (достигать краевого угла капли жидкости более 150^о), сохраняя при этом поверхность сухой и чистой. Вещество позволяет избежать необходимости использования летучих газообразных реагентов при аэрозольном химическом осаждении из паровой фазы (AACVD – Aerosol Assisted Chemical Vapor Deposition). С помощью AACVD возможно включение поверхностно-активных веществ и наночастиц для изменения структуры в осажденной пленке, чем и создается супергидрофобная поверхность путем нанесения двухслойного покрытия.

Для получения и наблюдения супергидрофобных покрытий были использованы образцы судостроительной стали марки A40S размером 8×90×50 мм. После резки поверхность образцов механически шлифовалась с поэтапным уменьшением зернистости абразива и полировалась раствором диоксида хрома Cr ₂ O ₃ в чистом керосине. На очищенную поверхность из паровой фазы осаждался супергидрофобный слой. Первым на поверхность образцов наносился базовый слой равномерным распылением в 2-3 прохода с расстояния около 15 см в течение 3-4 с, содержащий метилизобутилкетон, бутилацетат и минеральные спирты. После чего в течение 30 минут слой конденсировался при нормальных условиях, созданных в лаборатории. Затем выполнялось осаждение верхнего покрытия, содержащего наночастицы диоксида кремния. Поверхность сохранялась для дальнейшей сушки в аналогичных условиях в течение 12 часов до проведения исследований.

Микроструктура супергидрофобной поверхности (рис. 7.3) отличается трещинами и выступами на покрытии, которые приводят к чрезвычайно высокой шероховатости поверхности. Подобный рельеф обеспечивает возможность захвата воздуха между микровыступами (состояние Касси-Бакстера).