Области применения гидрофобного покрытия 

«Угол смачивания» гидрофобного покрытия является наиболее важным параметром для оценки его гидрофобных свойств.

I. Что такое угол смачивания?

1. Угол смачивания — это угол между касательной к границе раздела жидкость-пар и границей раздела твердое тело-жидкость в точке тройной фазы «твердое тело-жидкость-пар», когда капля жидкости достигает равновесного состояния на твердой поверхности. Обычно он обозначается буквой θ.
θ < 90°: поверхность гидрофильна, и капля воды растекается.
θ > 90°: поверхность гидрофобна, и капля воды принимает сферическую форму.
θ > 150°: поверхность обычно считается супергидрофобной; капля воды приближается к идеальной сфере и очень легко скатывается.

II. Типичный диапазон углов смачивания водой для гидрофобных покрытий

1. Стандартные гидрофобные покрытия: угол смачивания водой обычно составляет от 90° до 120°. К ним относятся, например, стеклянные и металлические поверхности, обработанные силанными или фторуглеродными покрытиями.
2. Высокогидрофобные/супергидрофобные покрытия: угол смачивания превышает 150° и может достигать даже более 170°. Для этого обычно требуется микро- или наномасштабная шероховатая структура поверхности (например, эффект лотоса) в сочетании с химическими веществами с низкой поверхностной энергией (например, фторированные материалы).

III. Ключевые факторы, влияющие на угол смачивания гидрофобных покрытий

Угол смачивания описывается уравнением Юнга, однако на практике он определяется следующими факторами:
1. Химические свойства поверхности (поверхностная энергия):
Это основной фактор. Чем ниже поверхностная энергия, тем больше угол смачивания и тем выше гидрофобность.
Фторированные соединения (такие как тефлон) обладают самой низкой поверхностной энергией и являются основными материалами для изготовления высокоэффективных гидрофобных пленок.
Силансодержащие соединения также широко используются для получения гидрофобных покрытий.
2. Топография поверхности (шероховатость):
Согласно моделям Венцеля и Кэсси-Бакстера, шероховатость поверхности может усиливать присущую ей гидрофобность.
Исходя из низкой поверхностной энергии, создание соответствующих композитных структур микро- и наномасштаба (например, имитирующих папиллы на листе лотоса) может привести к тому, что капли воды будут зависать на кончиках структур (состояние Касси), что значительно увеличит угол смачивания и обеспечит супергидрофобный эффект.
3. Свойства самой капли:
Поверхностное натяжение жидкости. В стандартах испытаний обычно используется чистая вода (поверхностное натяжение примерно 72,8 мН/м).
4. Условия измерения и окружающая среда:
Температура, влажность, объем капли, измерительные приборы и методы расчета могут оказывать незначительное влияние на результаты.

IV. Как измерить угол смачивания?

Наиболее часто используемым прибором является измеритель угла смачивания. Основная процедура заключается в следующем:
1. На горизонтальную поверхность исследуемой гидрофобной пленки с помощью микрошприца нанесите небольшую каплю деионизированной воды (обычно 2–10 мкл).
2. С помощью высокоскоростной камеры зафиксируйте боковой профиль капли.
3. Проанализируйте изображение с помощью программного обеспечения, проведите касательную линию в точке тройной границы твердое-жидкое-газовое и автоматически рассчитайте угол смачивания θ.
4. Для обеспечения точности обычно проводится несколько измерений в разных точках поверхности, после чего вычисляется среднее значение. Указываются угол продвижения (θ_A), угол отступания (θ_R) и разница между ними (гистерезис угла смачивания).

V. Значение и применение угла смачивания

1. Показатель эффективности: это наиболее прямой и важный количественный показатель для оценки эффективности гидрофобных пленок, противообрастающих покрытий и самоочищающихся поверхностей.
2. Области применения:
Самоочищение: архитектурное стекло, солнечные панели, автомобильные покрытия (капли воды скатываются, унося с собой пыль).
Водо- и ледоотталкивающие свойства: линии электропередач, крылья самолетов, корпуса судов.
Антиобрастание: текстиль, кухонная утварь, медицинские приборы.
Снижение сопротивления жидкости: внутренние стенки труб, корпуса судов.
Защита от коррозии: защита металлических поверхностей.

Резюме

Поэтому при рассмотрении характеристик гидрофобных пленок «угол смачивания» является ключевым параметром, который необходимо учитывать. Успешная конструкция гидрофобной пленки позволяет добиться высокого и стабильного угла смачивания за счет синергетического взаимодействия материалов с низкой поверхностной энергией и оптимизированных микро- и наноструктур.