Superhydrofobní povlak - Superhydrophobic coating

A superhydrofobní povlak je tenká povrchová vrstva, která odpuzuje vodu. Je vyroben ze superhydrofobního (ultrahydrofobicita ) materiály. Kapičky dopadající na tento druh povlaku se mohou plně odrazit.[1][2] Obecně lze říci, že superhydrofobní povlaky jsou vyrobeny z kompozitních materiálů, kde jedna složka zajišťuje drsnost a druhá nízkou povrchovou energii.[3]

Tento obrázek ukazuje vysoce absorpční filtrační papír potažený superhydrofobní barvou vyvinutou na University College v Londýně. To odpuzuje vodu (která je pro větší kontrast obarvena oranžově)

Použitý materiál

Superhydrofobní povlaky lze vyrobit z mnoha různých materiálů. Známé možné základy pro povlak jsou následující:

The oxid křemičitý - nátěry založené na bázi jsou možná nákladově nejefektivnější.[11] Jsou na gelovém základě a lze je snadno aplikovat ponořením předmětu do gelu nebo pomocí aerosolového spreje. Naproti tomu kompozity z oxidového polystyrenu jsou odolnější než povlaky na bázi gelu, avšak proces nanášení povlaku je mnohem nákladnější a nákladnější. Uhlíkové nanotrubice jsou také při současné technologii drahé a obtížně vyrobitelné. Gely na bázi oxidu křemičitého tedy zůstávají v současnosti ekonomicky nejsnadnější alternativou.

Druhy superhydrofobních povlaků

  • Odolný vodoodpudivý - Používá se pro textilie, aby byly chráněny před vodou.
  • Odpuzovač deště - Je vyroben pro čelní sklo automobilu pro odpuzování dešťové vody během deště, aby se zlepšila viditelnost jízdy.[12][13]

Průmyslové použití

V průmyslu se superhydrofobní povlaky používají v aplikacích s ultra suchým povrchem. Povlak způsobí, že se na povrchu vytvoří téměř nepostřehnutelně tenká vrstva vzduchu. Superhydrofobní povlaky se vyskytují také v přírodě; objevují se na listech rostlin, jako je Lotosový list a některá křídla hmyzu.[14] Povlak lze nastříkat na předměty, aby byly vodotěsné. Sprej je antikorozní a proti námraze; má schopnosti čištění; a lze je použít k ochraně obvodů a sítí.

Superhydrofobní povlaky mají důležité aplikace v námořní průmysl. Mohou přinést snížení odporu tření kůže[Citace je zapotřebí ] pro trup lodi, čímž se zvyšuje účinnost paliva. Takový povlak by umožnil lodím zvýšit jejich rychlost nebo dosah a snížit náklady na palivo. Mohou také snížit koroze a zabránit mořské organismy od růstu na lodi trup.[Citace je zapotřebí ]

Kromě těchto průmyslových aplikací mají superhydrofobní povlaky potenciální využití ve vozidle čelní skla aby nedocházelo k ulpívání kapiček deště na skle. Povlaky také umožňují odstranění usazenin soli bez použití čerstvé vody. Kromě toho mají superhydrofobní povlaky schopnost získávat další minerály z mořské vody solanka s lehkostí.[Citace je zapotřebí ] Navzdory mnoha aplikacím nátěru je problémem ochrana životního prostředí a pracovníků.[Citace je zapotřebí ] The Mezinárodní námořní organizace má mnoho předpisů a zásad týkajících se ochrany vody před potenciálně nebezpečnými přísadami.[Citace je zapotřebí ]

Superhydrofobní povlaky se spoléhají na jemnou mikro nebo nano strukturu, protože odpuzují - tato struktura se snadno poškodí otěrem nebo čištěním; proto se povlaky nejčastěji používají na věci, jako jsou elektronické součástky, které nejsou náchylné k opotřebení. Objekty podléhající stálému tření, jako jsou trupy lodí, by vyžadovaly neustálé opětovné nanášení takového povlaku, aby byla zachována vysoká úroveň výkonu.

Aplikace: -Vzhledem k extrémní repelenci a v některých případech bakteriální odolnosti hydrofobních povlaků existuje velké nadšení[od koho? ] pro jejich široké potenciální použití s ​​chirurgickými nástroji, lékařským vybavením, textilem a nejrůznějšími povrchy a substráty. Současnému stavu techniky této technologie je však bráněno, pokud jde o nízkou trvanlivost povlaku, což jej činí nevhodným pro většinu aplikací. Novější upravené povrchové textury na nerezové oceli jsou extrémně odolné a trvale hydrofobní. Opticky se tyto povrchy jeví jako jednotný matný povrch, ale mikroskopicky se skládají ze zaoblených prohlubní hlubokých jeden až dva mikrony nad 25% až 50% povrchu. Tyto povrchy jsou vyráběny pro budovy, které nikdy nebude nutné čistit.[15]

Na internetu existuje mnoho nechemických společností nabízejících super hydrofobní povlaky pro různé nevhodné aplikace. Před použitím této technologie je důležité porozumět vědě o těchto povlacích:

  • Místo odpuzování atomů fluoru jako mnoho úspěšných hydrofobních penetračních těsnicích materiálů (ne super hydrofobní), superhydrofobní produkty jsou povlakem - fungují tak, že vytvářejí strukturu o velikosti mikro- nebo nano velikosti na povrchu, který má superodpudivé vlastnosti.
  • Tyto velmi malé struktury jsou ze své podstaty velmi jemné a velmi snadno se poškodí opotřebením, čištěním nebo jakýmkoli druhem tření; pokud je struktura poškozena i mírně, ztrácí své superhydrofobní vlastnosti.[Citace je zapotřebí ] Tato technologie je založena na mikrostruktuře chloupků lilie, díky které se voda prostě odvalí. Třít trochu list lilie a už nebude superhydrofobní. Na rozdíl od liliového listu, který dokáže léčit a růst nové chloupky, povlak to nedělá.
  • Výsledkem je, že pokud pokroky nevyřeší zjištěnou slabost této technologie, jsou její aplikace omezené. Používá se hlavně v uzavřených prostředích, která nejsou vystavena opotřebení nebo čištění, jako jsou elektronické součásti (například vnitřek chytrých telefonů) a žebra pro přenos tepla z klimatizace, aby byla chráněna před vlhkostí a zabránila korozi.[16]

Povrchy mohou být hydrofobní i bez použití povlaku změnou jejich povrchových mikroskopických kontur. Základem hydrofobicity je vytváření zapuštěných oblastí na povrchu, jehož smáčení spotřebovává více energie než přemostění zapouzdření. Tento takzvaný povrch s Wenzelovým efektem nebo povrch s lotosovým efektem má menší kontaktní plochu o částku úměrnou zahloubené ploše, což jí dává vysoký kontaktní úhel. Zapuštěný povrch má úměrně sníženou přitažlivost cizích kapalin nebo pevných látek a trvale zůstává čistší. To se efektivně využilo pro střechy a obvodové pláště konstrukcí, které těží z nízké nebo žádné údržby.[15]

Viz také

Reference

  1. ^ Richard, Denis, Christophe Clanet a David Quéré. „Povrchové jevy: Kontaktní doba skákacího poklesu.“ Nature 417,6891 (2002): 811-811
  2. ^ Yahua Liu, Lisa Moevius, Xinpeng Xu, Tiezheng Qian, Julia M Yeomans, Zuankai Wang. „Palačinka poskakující na superhydrofobních površích.“ Nature Physics, 10, 515-519 (2014)
  3. ^ Simpson, John T .; Hunter, Scott R .; Aytug, Tolga (2015). „Superhydrofobní materiály a povlaky: recenze“. Zprávy o pokroku ve fyzice. 78 (8): 086501. doi:10.1088/0034-4885/78/8/086501. PMID  26181655.
  4. ^ Meng, Haifeng; Wang, Shutao; Xi, Jinming; Tang, Zhiyong; Jiang, Lei (2008). „Snadný způsob přípravy superamfifobních povrchů na běžných technických kovech“. The Journal of Physical Chemistry C. 112 (30): 11454–11458. doi:10.1021 / jp803027w.
  5. ^ Hu, Z .; Zen, X .; Gong, J .; Deng, Y. (2009). "Zlepšení odolnosti papíru proti vodě superhydrofobní modifikací s mikroskopickým povlakem CaCO3 a mastných kyselin". Koloidy a povrchy A: Fyzikálně-chemické a technické aspekty. 351 (1–3): 65–70. doi:10.1016 / j.colsurfa.2009.09.036.
  6. ^ Lin, J .; Chen, H .; Fei, T .; Zhang, J. (2013). „Vysoce transparentní superhydrofobní organicko-anorganický nanopovlak z agregace nanočástic oxidu křemičitého“. Koloidy a povrchy A: Fyzikálně-chemické a technické aspekty. 421: 51–62. doi:10.1016 / j.colsurfa.2012.12.049.
  7. ^ Das, I .; Mishra, M. K; Medda, S.K; De, G. (2014). „Trvanlivé superhydrofobní fólie ZnO – SiO2: nový přístup ke zvýšení odolnosti otěruvzdorných vlastností nanočástic SiO2 funkčních na sklo na bázi trimethylsilylu“ (PDF). RSC zálohy. 4 (98): 54989–54997. doi:10.1039 / C4RA10171E.
  8. ^ Torun, Ilker; Celik, Nusret; Hencer, Mehmet; Es, Firat; Emir, Cansu; Turan, Rasit; Onses, M.Serdar (2018). „Water Impact Resistant and Antireflective Superhydrophobic Surfaces Fabriced by Spray Coating of Nanoparticles: Interface Engineering via End -oubted Polymers“. Makromolekuly. 51 (23): 10011–10020. doi:10.1021 / acs.macromol.8b01808.
  9. ^ Warsinger, David E.M .; Swaminathan, Jaichander; Maswadeh, Laith A .; Lienhard V, John H. (2015). "Superhydrofobní povrchy kondenzátoru pro destilaci membrány vzduchovou mezerou". Journal of Membrane Science. Elsevier BV. 492: 578–587. doi:10.1016 / j.memsci.2015.05.067. hdl:1721.1/102500.
  10. ^ Servi, Amelia T .; Guillen-Burrieza, Elena; Warsinger, David E.M .; Livernois, William; Notarangelo, Katie; Kharraz, Jehad; Lienhard V, John H .; Arafat, Hassan A .; Gleason, Karen K. (2017). „Účinky tloušťky a konformity filmu iCVD na propustnost a smáčení MD membrán“ (PDF). Journal of Membrane Science. Elsevier BV. 523: 470–479. doi:10.1016 / j.memsci.2016.10.008. hdl:1721.1/108260.
  11. ^ Shang HM, Wang Y, Limmer SJ, Chou TP, Takahashi K, Cao GZ (2005). "Opticky transparentní superhydrofobní filmy na bázi oxidu křemičitého". Tenké pevné filmy. 472 (1–2): 37–43. doi:10.1016 / j.tsf.2004.06.087.
  12. ^ „Superhydrofobní nátěry NeverWet - přesně to, co naznačuje jeho název“ (PDF). Truworth Homes. Citováno 27. prosince 2019.
  13. ^ „Jak aplikovat NeverWet Rain Repellent“. Rust-Oleum. 2. února 2016. Citováno 27. prosince 2019 - přes YouTube.
  14. ^ Dai, S .; Ding, W .; Wang, Y .; Zhang, D .; Du, Z. (2011). "Výroba hydrofobních anorganických povlaků na přírodních lotosových listech pro razítka nanoimprint". Tenké pevné filmy. 519 (16): 5523. arXiv:1106.2228. Bibcode:2011TSF ... 519.5523D. doi:10.1016 / j.tsf.2011.03.118.
  15. ^ A b McGuire, Michael F., „Stainless Steel for Design Engineers“, ASM International, 2008.
  16. ^ Milionis, Athanasios; Loth, Eric; Bayer, Ilker S. (2016). „Nedávný pokrok v mechanické odolnosti superhydrofobních materiálů“. Pokroky ve vědě o koloidech a rozhraní. 229: 57–79. doi:10.1016 / j.cis.2015.12.007. PMID  26792021.