XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

«Как с гуся вода» Гидрофильность и гидрофобность материалов

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Стебенькова Т.А. 1Рогальников Д.Е. 2

---

1МБОУ СОШ № 2 г. Ленинск-Кузнецкий

2МБОУ СОШ № 2, г. Ленинск-Кузнецкий

Люкина Т.В. 1

---

1МБОУ СОШ № 2 г. Ленинск-Кузнецкий

Работа в формате PDF

772.7 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Получение поверхностей с заданными свойствами и изучение такого свойства материалов, как смачиваемость, является на сегодняшний день одной из актуальных задач современности. Возможность воздействовать на материалы для того, чтобы управлять их свойствами, открывает широкие перспективы развития в различных областях: приборостроении, медицине, авиастроении, кораблестроении, косметологии и других. Особое место занимают наноматериалы.

Цель исследования: получение поверхностей с заданными свойствами и изучение такого свойства материалов, как смачиваемость.

Задачи:

1. выбрать материалы для изучения и обосновать свой выбор;

2. на основе изученной литературы подобрать параметры химического и/или электрохимического травления для получения поверхностей с различными параметрами шероховатости;

3. изучить морфологию поверхностей полученных образцов;

4. провести эксперименты по определению контактного угла на основе методики Елесиной В. В. «Краевой угол смачивания» [3];

5. проанализировать полученные результаты и сформулировать выводы.

Гипотеза: Используя методику краевого угла, можно создать материалы с заданными свойствами.

Объект исследования: гидрофобность и гидрофильность поверхностей.

Предмет исследования: материалы с заданными свойствами поверхности.

Методы исследования: общенаучные; эмпирические - наблюдение, сравнение, эксперимент; аналитические.

Для более полной характеристики рассматриваемого вопроса были изучены работы, связанные с изучением методов обработки поверхностей и методов обработки полученных результатов. В методическом пособии [3] Елесиной В. В. «Краевой угол смачивания» под издательством Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, описана теоретическая и практическая часть по определению краевого угла смачивания. Описана методика, которую мы использовали в своей работе.

Из статьи [9] «Самые популярные способы травления металла» мы познакомились с различными способами травления металлов, такими как: химический, электрохимический, ионно-плазменный, гальванический. Травлением изделий из металлов. В статье рассматриваются рекомендации о проведении экспериментов в домашних условиях. Где на практике можно использовать металлы с полученными поверхностями. Рассмотрены вопросы подготовки поверхности металлов, способы травления, описана техника безопасности при проведении эксперимента.

В статье [2] С. Варламова «Угол смачивания и энергия взаимодействия молекул» рассматриваются вопросы связанные с объяснением образования определенной формы капли в зависимости, от поверхности на которой она находится. Приводится качественное объяснение явления на основе законов физики. Приводится ряд задач на рассмотрение данного явления.

В статье Амбрамзона А. А. [1] «Поверхностно - активные вещества: Свойства и применение» рассмотрены основные свойства поверхностно-активных веществ (ПАВ), определяющие их адсорбционную и пленкообразующую способность. Даны методы оценки поверхностной активности ПАВ. Рассмотрено их применение в качестве стабилизаторов эмульсий, плен - кообразователей, смачивателей, компонентов смазок и др. Описана взаимосвязь строения и тех свойств ПАВ, которые определяют их область применения.

2. Основная часть

   1. Материаловедение и наноматериалы

Исследованием материалов, их свойств, а также изменений этих свойств под влиянием внешних условий занимается такая наука, как материаловедение. Следует отметить, что в последнее время все большую популярность приобретает ее раздел наноматериаловедение [10]. Ученые этого направления занимаются исследованием наноматериалов и описанием их свойств, разрабатывают на их основе высокотехнологичные устройства, которые в дальнейшем используются в высокоэффективной энергетике, микроэлектронике и микромеханике, авиа- и ракетостроении, производстве медицинского оборудования и многих других областях и существенно улучшают производительность в соответствующей отрасли.

Перечислить все области, где используются наноматериалы практически невозможно, приведем некоторые из них. Компьютеры и микроэлектроника: создание нанокомпьютеров и ДНК-компьтеров. Атомно‑силовой микроскоп ‑ сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения, основанный на взаимодействии иглы кантилевера (зонда) с поверхностью исследуемого образца. В начале 2000‑го года, благодаря быстрому прогрессу в технологии изготовления частиц наноразмеров, был дан толчок к развитию новой области нанотехнологии ‑ наноплазмонике. Оказалось, возможным передавать электромагнитное излучение вдоль цепочки металлических наночастиц с помощью возбуждения плазмонных колебаний. Создание молекулярных роторов ‑ синтетических наноразмерных двигателей, способных генерировать крутящий момент при приложении к ним достаточного количества энергии.

2. 2. Свойства поверхности

В материаловедении сегодня активно изучается такое свойство поверхности, как смачиваемость. Свойство, которое позволяет управлять поверхностью нашего материала. Смачиваемость материала существенно влияет на процессы, происходящие на его поверхности, такие как теплообмен, кипение, конденсация, испарение, динамика течения жидкости и другие. При этом поверхность одного и того же материала может обладать как гидрофильностью, так и гидрофобностью, супергидрофобностью или контрастной смачиваемостью.

Смачиваемость – оценка силы сцепления между молекулами жидкости и молекулами твердого тела. Смачиваемость и несмачиваемость – понятия относительные: жидкость, смачивающая одно твердое тело, может не смачивать другое тело. Например, вода смачивает стекло, но не смачивает парафин; ртуть не смачивает стекло, но смачивает медь [10]. При изучении смачиваемости важно понимать не только что у нас за жидкость, вода или какой-то биологический раствор, например, раствор сахаров, нужно понимать, что мы хотим смочить. Поэтому всегда учитывается не только сам смачиватель, но и, поверхность, которая наносится.

Чем интересна эта поверхность и что с ней можно делать? Как можно управлять ее свойствами?

Гидрофобность. С точки зрения химического строения гидрофобными (неполярными) являются молекулы, не содержащие химических групп, способных образовывать с водой водородные связи. Например, это бензол и другие жидкие углеводороды (составляющие бензина). Однако наиболее интересными свойствами обладают амфифильные молекулы, содержащие как полярную, так и неполярную части: это приводит к тому, что они образуют в смесях с водой довольно сложные структуры: мицеллы, везикулы, слои и более сложные формы. Образование всех этих сложных форм управляется гидрофобным эффектом.

С точки зрения физики, поверхностное натяжение капли, и с точки зрения термодинамики, будет более выгодным, чем ее растекание по поверхности. Так как при нахождении жидкости в виде капли она будет растрачивать меньше энергии для того, чтобы связаться с окружающей ее действительностью. Так, например, в космосе жидкость имеет форму шара [4].

Гидрофильность – характеристика интенсивности молекулярного взаимодействия вещества с водой, способность хорошо впитывать воду, а также высокая смачиваемость поверхностей водой. Гидрофильностью обладают вещества с ионными кристаллическими решетками (оксиды, гидроксиды, силикаты, сульфаты, фосфаты, глины, стекла и другие). Причины гидрофильности связаны с наличием в молекулах гидрофилов полярных групп. Между этими полярными группами и полярными группами растворителя возникают ориентационные силы, в результате которых происходит взаимодействие.

Для чего нужны такие поверхности и чем они полезны? Они имеют важное практическое применение с точки зрения здоровья, например, использование порошковых лекарств, которые содержат гидрофильные частицы, увеличивающие скорость всасывания лекарства. Использование имплантов на основе титана. Очень важно, чтобы они хорошо закрепились, про контактировали с кожей или костями. На сегодняшний день, создание материалов с такими поверхностями, является одной из глобальных задач.

2. 3. Подготовка экспериментальных образцов

В зависимости от поставленных задач, существуют способы создания макрорельефа и нанорельефа поверхности.

Для создания макрорельефа поверхности, нужно создать крупный рельеф, чтобы она была обладала гидрофильными свойствами. Поверхность будет хорошо смачиваться и впитывать в себя воду. Если создаем нанорельеф, то поверхность будет обладать гидрофобными свойствами. Следует отметить, что один и тот же материал может обладать разными свойствами, в зависимости от применения.

Для придания поверхности той или иной морфологии, можно использовать следующие методы. Механическая обработка – шлифовка, полировка поверхности с помощью наждачной бумаги. С увеличением размера зерна – увеличивается размер шероховатости поверхности (Таблица 1). Результат обработки также будет зависеть от времени обработки, зернистости, техники обработки (степень нажатия, направление обработки).

Таблица 1

Для создания нанорельефа необходимо использовать химический компонент. И зависит от того, какой материал будет использоваться, так как используются либо щелочи, либо кислоты.

Так, травление металлов чаще всего проводят в растворах кислот. Наиболее распространенные электролиты изготавливают на основе азотной, серной, соляной, ортофосфорной и уксусной кислоты. В приложении 1 находится таблица с растворами для травления металлов. После травления образцы промывают в 15 % -ом растворе соды. Затем тщательно промывают водой.

Травление кремния, представителя полупроводников, возможно проводить только в концентрированных растворах плавиковой кислоты [10].

Полимерные материалы инертны. Возможна механическая обработка либо переработка, плавление, экструзия и так далее. Следует учесть, сто ацетон является растворителем полимеров.

2. 4. Методы измерения шероховатости поверхности

Для измерения шероховатости поверхности материалов используются следующие методы: визуальный (сравнение с эталоном), чаще используется на производстве, бесконтактный (микроскопия), контактный (профилометрия), метод измерения краевого угла смачивания. В своей работе мы использовали последний [3].

Данная методика проста и не требует специального оборудования, хотя и существуют специальные экспериментальные установки для определения краевого угла.

С уть методики состоит в том, что по тому, как будет вести себя капля воды на поверхности и как в зависимости от растекания этой жидкости мы сможем сказать какая это будет поверхность (рис. 1). Мы различаем гидрофобные и гидрофильные поверхности по краевому углу смачивания. Если угол между поверхностью и каплей меньше 90 ⁰, что характерно для наноматериалов, то поверхность гидрофобная, если больше – гидрофильная, то есть на ней вода будет хорошо растекаться.

Рис. 1. Свойство поверхности

3. Практическая часть

3. 1. Техника безопасности

1. Категорически запрещается работать одному в лаборатории. Работать следует только в отведенное время под контролем преподавателя.

2. Необходимо соблюдать тишину, чистоту и порядок.

3. В лаборатории необходимо находиться в застегнутом хлопчатобумажном халате, пользоваться защитными очками и перчатками.

4. Приступать к работе можно после усвоения всей техники ее выполнения.

5. Нельзя проводить опыты в загрязненной посуде. Посуду следует мыть сразу после окончания эксперимента.

6. Категорически запрещается пробовать химические вещества на вкус.

7. Запрещается нагревать, смешивать и взбалтывать реактивы вблизи лица. При нагревании нельзя держать пробирку или колбу отверстием к себе или в направлении работающего товарища.

8. Запрещено выливать в раковину остатки кислот и щелочей, огнеопасных и взрывоопасных, а также сильно пахнущих веществ.

9. Работать с концентрированными кислотами и щелочами только в вытяжном шкафу. Разбавление кислот следует проводить в жаростойкой посуде, при этом кислоту необходимо приливать к воде.

10. Работы с легковоспламеняющимися жидкостями следует проводить подальше от огня. Запрещается нагревать летучие и легковоспламеняющиеся жидкости на открытом пламени.

3. 2. Выбор материалов для исследования

Для выполнения эксперимента в работе использовали следующие материалы: пластины из меди, стали, алюминия, стекла, пластмассы. Так же использовали поверхности губки для мытья посуды и гидрофобный песок.

Выбор данных материалов был обусловлен использованием данных материалов на практике. Так обработка поверхности металлов играет важную роль в судостроении. Для увеличения срока эксплуатации морских судов и препятствия коррозии, от налипания ракушек и другого производят специальную обработку металлов. Гидрофобный песок играл роль инертной пыли, который используют в шахтах. Для нас это актуальный вопрос, так как мы живем в угольном регионе.

Инертная пыль представляет собой тонкоизмельчённый известняк (доломит) с гидрофобными добавками. Для производства ПИГ по ГОСТ Р 51569-2000 используется щебень известняковой породы фракции 20 - 40 мм предварительно просушенный и отчищенный от примесей глины. Она предназначена для предупреждения и локализации взрывов угольной пыли в шахтах путем организации сланцевой защиты: устройство заслонов и сланцевых зон в выработках. Уникальные свойства инертной пыли с каждым годом расширяют область ее применения и позволяют производить экологически чистые безопасные материалы и компоненты в отраслях строительной индустрии, электротехнической и химической промышленности, сельском хозяйстве.

Выбор образца из стекла обусловлен широким спектром использования в различных областях. Защитное нанопокрытие для стекла – невидимая пленка, придающая поверхности грязе - и водоотталкивающие свойства. На обработанной поверхности реализуется «эффект лотоса»: вода, попавшая на обработанную часть материала, собирается в капли практически идеальной сферической формы, которые легко скатываются с поверхности, увлекая за собой частицы грязи и пыли. Используется для сохранения чистоты окон, стеклянных фасадов зданий и незаменимо при вождении автомобиля в дождливую погоду.

Исследование поверхности губки для посуды обусловлен применением в быту. Как выбрать хорошую губку для разных поверхностей? Сейчас мы имеем об этом представление.

3. 3. Основные этапы эксперимента

Создание макрорельефа поверхности производилось механической обработкой - шлифовкой с помощью наждачной бумагой с артикулом КК 19XW и Р80. Шлифовка проводилась со средней степенью нажатия, в одном направлении, в течение 1 минуты с крупной зернистостью и 2 минуты со средней.

Так же провели эксперимент, работая в лаборатории кабинета химии, электрохимическое травление металлов. В качестве электролита использовали серную кислоту, в которую помещали электроды: к плюсу исследуемый образец – медь, к минусу – графит. Концентрация серной кислоты составила 10 %. Эксперимент проходил с соблюдением всех требований по технике безопасности – с вытяжкой, в перчатках, маске и очках, под руководством учителя. После погружения электродов в раствор серной кислоты (без подключения к источнику постоянного тока) уже наблюдали химический процесс. После сборки электрической цепи, эксперимент проводили в течение 15 минут, постоянно наблюдая за происходящим процессом, чтобы исключить повреждение электрода. Перед началом эксперимента образец обезжирили растворителем, высушили на воздухе. После проведения эксперимента электроды промыли в 15 % растворе соды, затем промыли под струей воды и высушили на воздухе. Далее капали на образец воду и определяли краевой угол смачивания. Некоторые образцы еще дополнительно подвергали механической обработке - шлифовке. Сьемку производили на камеру мобильного телефона iPhone 7.

Пластмассу обрабатывали перед экспериментом раствором соды, далее производили механическую обработку - шлифовку поверхности. Стекло обрабатывали спиртовым раствором. В приложении 3 приведены результаты экспериментов.

3. 4. Обработка результатов эксперимента

Эксперименты по определению контактного угла проводились на основе существующей методики Елесиной В. В. (Краевой угол смачивания) [3].

С помощью камеры смартфона были сделаны фото капельки на поверхности, измерив высоту и диаметр капли по формуле (рис. 2) рассчитали контактный угол.

Рис. 2. Расчет краевого угла

В приложении 2, 3 находится таблица с экспериментальными данными по определению краевого угла смачивания и определения типа поверхности.

IV. Заключение

В результате проведенных экспериментов с различными образцами было изучено такое явление, как смачиваемость. Обрабатывая поверхность экспериментальных образцов, установили, какие поверхности являются гидрофильными или гидрофобными. Установили, что свойство поверхности смачивать или не смачивать поверхность зависит от способа и качества ее обработки, от самого материала. Познакомились и применили на практике методику обработки поверхности. Более широко изучили данное явление.

Данная работа проводилась в рамках цикла «Уроки настоящих технологий получения наноматериалов». Выражаем благодарность научному лидеру данного цикла Екатерине Александровне Гостевой за интересную задачу к циклу, за очень подробные онлайн-консультации, которые помогли выполнить практическую часть задачи. В приложении 4 находится рецензия на данное исследование.

Изучение данного вопроса считаем перспективным и актуальным на сегодняшний день, о чем говорят исследования, проводимые в программе «Больших вызовов» (г. Сочи) – «Оценка устойчивости антибактериального состава на текстильных изделиях».

V. Литература

1. Абрамзон А. А. Поверхностно-активные вещества: Свойства и применение. Л. : Химия, 1981. 304 с.

2. Варламов С. Угол смачивания и энергия взаимодействия молекул // Квант. 2015. № 5-6. С. 37-40.

3. Елесина В. В. Краевой угол смачивания: Методические рекомендации к выполнению лабораторных работ по дисциплинам «Поверхностные явления и дисперсные системы» и «Физическая и коллоидная химия» для студентов всех форм обучения всех направлений подготовки и специальностей. Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2019. 22 с.

4. Ефремов Р. Г., Полянский А. А., Чугунов А. О. Физическая водобоязнь. // Природа. 2013. № 1. С. 24-34.

5. Петрянов И. В. Самое Необыкновенное вещество в мире. М. : Раритет, 1998. 96 с.

6. Стасенко А. Поверхностное натяжение, капля и Вселенная. // Квант. 2015. № 5-6. С. 37-40.

7. Экилик В. В. Теория коррозии и защиты металлов. Методическое пособие по спецкурсу. Ростов-на-Дону, 2004. 67 с.

8. Гидрофобный металл [Электронный ресурс] // URL: https://masterok.livejournal.com/4084784.html (дата обращения: 14.07.2023).

9. Самые популярные способы травления металла [Электронный ресурс] // URL: https://metalloy.ru/obrabotka/gravirovka/travlenie-metalla (дата обращения 14.07.2023).

10. Создание материалов с заданными свойствами [Электронный ресурс] // URL: https://vk.com/sirius_lessons?z=video-150963328_ 456239224% 2F8e903823e850483b02%2Fpl_wall_-150963328

Приложение 1

Таблица растворов для травления металлов

Приложение 2

Результаты экспериментальной части

Приложение 3

Результаты экспериментальной части

П риложение 4

риложение 5

Проведение эксперимента