V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Создание гидрофобных покрытий на основе эффекта лотоса

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Гарбовский  А.В. 1

---

1Муниципальное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа № 16» Копейского городского округа

Худякова  Л.П. 1

---

1Муниципальное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа № 16» Копейского городского округа

Работа в формате PDF

535.2 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Явление смачивания играет огромную роль в жизни многих растений и животных, помогая им как добывать влагу, так и защищаться от ее излишков. Например, водоплавающие животные и птицы умеют в буквальном смысле выходить сухими из воды, а колючки некоторых кактусов способны поглощать влагу прямо из воздуха. Человек всегда старался не отставать от братьев своих меньших, с древнейших времен используя законы природы в своей хозяйственной деятельности. В последние годы появился целый ряд новых многообещающих технологий, основанных на эффекте смачивания.

Благодаря нанотехнологиям появляются «умные вещи». Люди уже могут носить одежду и обувь, которые не пачкаются и не промокают, что существенно облегчает нам жизнь, это и определяет актуальность проводимого в работе исследования.

Объект нашего исследования – гидрофобные покрытия, предмет исследования – водонепроницаемость покрытий.

Цель работы – создание гидрофобных покрытий различными способами и проверка их водонепроницаемых свойств.

Гипотеза: узнав сущность эффекта лотоса, можно создать материал с особыми свойствами.

Задачи:

1) изучить и проанализировать литературу по теме исследования;

2) выяснить, что такое смачивание, эффект лотоса, в чем причина

несмачиваемости некоторых поверхностей;

3) сконструировать несмачиваемую шероховатую поверхность, имитирующую лист лотоса;

4) создать гидрофобные покрытия разными способами, проверить их водонепроницаемость.

Методы исследования:

Теоретический анализ литературы.

Моделирование.

Наблюдение.

Эксперимент.

Новизна работы заключается в том, что в домашних условиях создана модель несмачиваемой шероховатой поверхности.

Глава 1. Эффект лотоса

1.1.Смачивание

Смачивание — физическое взаимодействие жидкости с поверхностью твёрдого тела или другой жидкости. Смачивание бывает двух видов:

иммерсионное (вся поверхность твёрдого тела контактирует с жидкостью);

контактное (состоит из трёх фаз — твердая, жидкая, газообразная)

Смачивание зависит от соотношения между силами сцепления молекул жидкости с молекулами смачиваемого тела (адгезия) и силами взаимного сцепления молекул жидкости (когезия) [2,4].

Если жидкость контактирует с твёрдым телом, то существуют две возможности:

молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам твёрдого тела. В результате силы притяжения между молекулами жидкости собирают её в капельку. Так ведёт себя ртуть на стекле, вода на парафине или «жирной» поверхности. В этом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность;

молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам твёрдого тела. В результате жидкость стремится прижаться к поверхности, расплывается по ней. Так ведёт себя ртуть на цинковой пластине, вода на чистом стекле или дереве. В этом случае говорят, что жидкость смачивает поверхность.

Степень смачивания характеризуется углом смачивания. Угол смачивания Ɵ (или краевой угол смачивания) — это угол, образованный касательными плоскостями к межфазным поверхностям, ограничивающим смачивающую жидкость, а вершина угла лежит на линии раздела трёх фаз. Он является характеристикой гидрофильности (гидрофобности) поверхности твердых тел (рис.1,2).

гидрофильная гидрофобная поверхность поверхность

Рис.1. Краевой угол смачивания Рис.2. Метод растекающейся капли:

краевой угол смачивания Ɵ капли жидкости (ж) на твердой поверхности (т); третья фаза -газ (г)

Граничный контур (периметр основания капли) называется линией трехфазного контакта (ЛТК). Этот термин подчеркивает, что в смачивании участвуют три фазы: 1) твердое тело, 2) смачивающая жидкость, 3) фаза-«предшественник», которая находилась в контакте с твердой поверхностью до подвода жидкости.

В соответствии с теорией Юнга-Лапласа, краевой угол определяется конкуренцией двух сил, действующих на ЛТК. Одна сила - это притяжение молекул жидкости к ближайшим молекулам жидкости на поверхности капли. В расчете на единицу длины ЛТК это сила поверхностного натяжения жидкости γ_жг (в мН/м).

Другая сила создается притяжением тех же молекул ЛТК к ближайшим молекулам на поверхности твердое тело-газ. Эта сила направлена вдоль поверхности твердого тела во внешнюю сторону от ЛТК. Юнг назвал ее силой адгезии (в мН/м) (adhesion - прилипание). Равновесный краевой угол Ɵ находят из условия механического равновесия на ЛТК по основным размерам капель жидкости, наносимых на твердые поверхности: высоте h и диаметру основания капли d. Значения cos рассчитывают по формуле (1):

Таким образом, для определения краевого угла смачивания необходимо измерить высоту капли h и диаметр ее основания d.

Эффект лотоса

Цветок лотоса обладает необычными физико-химическими свойствами. Благодаря особому строению и очень высокой гидрофобности его листьев и лепестков цветы лотоса остаются удивительно чистыми — именно это поражало наших далёких предков. Цветок, возникший в грязном болоте и оставшийся чистым, незапятнанным, просто не мог не стать символом. Стихотворение средневекового корейского поэта Сон Кана (Чон Чхоля), написанное в форме классического трёхстишия сичжо (в переводе А. Ахматовой), прямо описывает эффект сверхгидрофобности лотоса:

Чем дождь сильнее льёт,

Тем лотос всё свежее;

Но лепестки, заметь,

Совсем не увлажнились.

Хочу, чтобы душа

Была чиста, как лотос.

Но как растению удается добиться такой сверхгидрофобности? «Эффект лотоса» [8] был открыт в семидесятых годах 20 века немецким ботаником, профессором Вильгельмом Бартлоттом. При помощи электронной микроскопии было обнаружено, что поверхность листа имеет особый рельеф в виде «шипов», образованных гидрофобными веществами (рис. 3). Капля воды на такой поверхности имеет малую площадь соприкосновения, не может удерживаться на ней и скатывается, унося с собой пыль, сажу, споры грибов и другие загрязнения поверхности, что и приводит к эффекту самоочищения. Так, для листьев лотоса площадь контакта капли воды и листа составляет менее 1% от всей площади капли, а контактный угол между поверхностями листа и капли может достигать 170° (супергидрофобная поверхность).

Рис.3. Поверхность листа лотоса под электронным микроскопом [3]

Несмачиваемые природные поверхности можно наблюдать у растений и насекомых. Это, например, листья настурции, аквилегии, крылья бабочек, волоски на теле водных жуков, ткани шёлковых гнёзд некоторых пауков. Оказалось, все дело в кутине – воскообразном веществе, состоящем из высших жирных кислот и эфиров. Это вещество располагается на поверхности листьев и цветков в виде своеобразных «шипов», которые и являют собой специфическую наноструктуру.

Под эффектом лотоса [9] (иначе superhydrophobicity; лотос-эффект; супергидрофобность) в настоящее время в науке понимают эффект практически полной несмачиваемости поверхности твердого тела жидкостью, возникающий из-за особенностей рельефа данной поверхности на микро- и наноуровне, приводящих к снижению площади контакта жидкости с поверхностью данного тела.

Практическое применение эффекта лотоса

Многие современные технологии основаны на результатах наблюдения за живой природой и заимствования у нее уникальных механизмов и принципов. Одним из примеров такого «сотрудничества» человека с природой является эффект лотоса.

Изучив условия, в которых проявляется эффект лотоса, ученые смогли объяснить, как он реализуется на наноуровне, создать материалы с такими же свойствами, как и самоочищающиеся поверхности растений.

Эффект лотоса, открытый профессором Вильгельмом Бартлоттом, вызвал огромный интерес во всем мире. За свои исследования профессор Бартлотт был неоднократно удостоен престижных наград за успехи в области науки.

Бартлотт сначала не видел в своем открытии коммерческой выгоды. Однако в 1980-х гг. он понял, что если удастся искусственно создать шероховатые воскообразные поверхности, то такой «искусственный лотос» может найти множество практических применений. Позднее он запатентовал идею создания поверхностей с приподнятыми микроскопическими участками, которые будут делать ее самоочищающейся, и зарегистрировал торговую марку Lotus Effect («эффект лотоса»).

Придание поверхностям изделий свойств сверхгидрофобности с помощью «эффекта лотоса» было нелегким делом. Гидрофобность — это свойство отталкивания. Но вещество, которое отталкивает все, нужно заставить сцепляться с изделием. Тем не менее к началу 1990-х гг. Бартлотт сумел создать ложку для меда с самодельным микрошероховатым силиконовым покрытием, которое позволяло жидкости стекать с данного прибора, не оставляя следов. Эта ложка в итоге убедила некоторые крупные химические компании в перспективности идеи Бартлотта, и вскоре они нашли больше возможностей использовать его открытие. Lotus Effect стал в Германии бытовой маркой. В октябре 2007 г. журнал Wirtschaftswoche назвал его в числе 50 наиболее значительных немецких изобретений последних лет.

Есть множество примеров, демонстрирующих широкое применение технологий на основе «эффекта лотоса», но большинство из них относятся к созданию специальных покрытий для автомобилей – для корпуса, окон, пропитки тентов и пр. Нанотехнологии на основе этого явления помогли увеличить срок эксплуатации автомобильных покрытий, защитить внешний вид автомобиля от постоянных угроз внешней среды [10].

Одним из примеров применения «эффекта лотоса» стал продукт компании «Дуалес Систем Дойчланд АГ», который она продемонстрировала еще в 2000 году на всемирной выставке в Ганновере. Это была автомобильная краска, способная к самоочищению под воздействием обычной воды, причем отличный результат достигается даже при сильном загрязнении. Развитие нанотехнологий позволило усовершенствовать способы очистки поверхности авто: сейчас уже существуют особые составы, которые распыляются на поверхность и растираются тканью. Они не только удаляют грязь, но и покрывают поверхность слоем самоочищающегося вещества, которое действует в течение многих месяцев.

Еще одним достижением развития нанотехнологий стало создание экологически безопасных красок. Дело в том, что обычные краски содержат в составе растворители, которые во время сушки загрязняют окружающую среду. После изобретения новых порошковых веществ эта проблема была решена: такие порошковые краски не содержат вредоносных органических соединений. Фирма Nanovere сумела создать краску, обладающую сразу двумя полезными свойствами: способностью к самоочищению и стойкостью к царапинам и повреждениям. Продукт получил название Zyvere 2K Nanocoating и прошел все испытания в естественных условиях «на отлично». Еще одно изобретение, покрытие на основе наночастиц диоксида кремния, способно снизить появление царапин на 53%, а возникновение загрязнений – на 60% за счет описанного выше «эффекта лотоса». Такое нанопокрытие применяют для кузовов автомобиля, нанесения на колесные диски, поверхности судов и самолетов.

Важным шагом стало также изобретение гидрофобных покрытий для стекол в автомобилях, которые постоянно подвергаются действию воды и грязи, а потому становятся мутными и ухудшают обзор. Такие покрытия основаны на уменьшении площади соприкосновения капель воды с поверхностью стекла, что позволяет воде стекать, не оставляя подтеков и загрязнений. Использование таких веществ для стекол имеет массу преимуществ. Любые загрязнения: снег, дождь, пыль, смолы, капли масла, насекомые – легко удаляются даже потоком воздуха при движении автомобиля или, в более экстремальных условиях, «дворниками».

Эффект лотоса нашел свое применение не только в автомобильной промышленности. Сегодня уже создано множество материалов, способных к самоочищению, обладающих гидрофобными свойствами, например, водоотталкивающие краски для фасадов, покрытия для поездов, незапотевающие стекла, непромокающая одежда и т.д. Одно из недавних достижений в текстильной промышленности – создание непромокаемой хлопчатобумажной ткани, не теряющей своих свойств после 250 стирок. Ее получают, пропитывая ткань коммерчески доступным фторированным акрилатным мономером с последующим облучением гамма-лучами, вызывающим полимеризацию мономера прямо на волокнах ткани. Получается покрытие, в котором хлопок связан с полимером. Полимер предотвращает впитывание воды, вода собирается в капли, которые, скатываясь с ткани, собирают и уносят с собой пылинки и загрязнения. Развитие нанотехнологий и продолжение изучения их возможностей способно в перспективе принести человечеству еще множество удачных изобретений.

Выводы по главе 1

Нами была проанализирована литература по теме исследования, изучен эффект лотоса, возможности его применения.

Глава 2. Создание гидрофобных покрытий

2.1. Создание несмачиваемой шероховатой поверхности

Попытаемся в домашних условиях создать несмачиваемую шероховатую поверхность. Мы должны обеспечить минимальный контакт жидкости с твердым телом. Для этого подойдут лезвия для бритвы [1].

Возьмем сотню лезвий для бритвы, тщательно отмоем их, нагреем в духовке до температуры около 100˚С. Расплавим в фарфоровой чашке парафин. Каждое лезвие окунем в расплав, дадим излишкам парафина стечь на фильтровальную бумагу так, чтобы острие касалось ее поверхности. Соберем напарафиненные лезвия в стопку толщиной около 1 см, подровняем, зажмем в тисках лезвиями вверх. У нас получилась микрошероховатая поверхность.

2.2. Создание непромокаемой ткани на основе эффекта лотоса

Для создания непромокаемой ткани берем хлопковую ткань, пропитаем ее растворами специальных веществ [3,5,6,7], высушим образцы на воздухе.

Способ 1.

Для получения непромокаемой ткани вымачиваем в течение дня материал в холодном растворе ацетата кальция. Для его получения растворили кусочки мела в столовом уксусе до прекращения выделения пузырьков углекислого газа. Слили раствор с осадка, разбавили его водой вдвое. Ткань отжали, высушили при температуре 60˚С. Затем положили в мыльный раствор, состоящий из 10 г мыла и 200 мл воды, снова отжали, высушили при температуре 40˚С. Опять погрузили в раствор ацетата кальция, отжали, высушили.

Способ 2.

В 1 л воды растворили при легком помешивании 30 г мыла, нагревая раствор до 60-70˚С. В теплый раствор погрузили обрабатываемый материал. Через 20-30 мин достали его, слегка прополоскали холодной водой, погрузили на 20-30 мин в теплый 8-10% раствор алюмокалиевых квасцов. Затем материал хорошо промыли в холодной воде, опять погрузили на 10-15 мин в теплый раствор мыла и на 10-15 мин в раствор квасцов.

Способ 3.

Растворили в металлической бане 20 г клея ПВА, 20 г мыла в 200 мл кипящей воды. Добавили к раствору 30 г алюмокалиевых квасцов. Когда смесь остыла примерно до 30˚С, погрузили в нее с помощью пинцета и стеклянной палочки ткань. Перемешали ткань в смеси в течение 10 мин для получения более качественного покрытия. Промыли ткань холодной водой, высушили на воздухе.

Способ 4.

Обработали ткань водоотталкивающей пропиткой для текстиля «Liquid Tex Protection" по инструкции, предложенной на баллончике.

Способ 5.

Обработали ткань универсальной водоотталкивающей пропиткой «Twist» по инструкции, предложенной на баллончике.

Информация о составе каждой пропитки, купленной в магазине, приведена в приложении 1.

2.3. Проверка гидрофобности каждой поверхности

На образец ткани, приготовленный по каждому из способов, нанесли капли. Определили высоту и диаметр капли (взяли средние значения), рассчитали по формуле (1). Результаты занесли в таблицу 1.

Таблица 1

Определение краевого угла смачивания

Наиболее гидрофобная поверхность получается при обработке ткани универсальной водоотталкивающей пропиткой «Twist», а также при обработке алюминиевым мылом и пропиткой из ПВА и алюмокалиевых квасцов.

2.4. Определение устойчивости гидрофобных свойств ткани

На образец ткани, обработанный по каждому из способов, нанесли каплю, засекли время, в течение которого капля не впитывается тканью. Результаты занесли в таблицу 2.

Прочное гидрофобное покрытие получается при обработке ткани универсальной водоотталкивающей пропиткой «Twist» и при обработке алюминиевым мылом. При обработке ПВА с алюмокалиевыми квасцами покрытие получилось неоднородным, с эти связана разная продолжительность удержания капли на поверхности. Интересным получился результат при обработке ткани 3,4,5 способами. Продолжительность удержания капли в этих случаях увеличилась. Это может быть связано с тем, что увеличилась сила адгезии капли. При обработке ткани 1 способом продолжительность удержания капли, наоборот, уменьшилась. Это объясняется тем, что образовавшееся покрытие непрочное, со временем разрушается.

Таблица 2

Устойчивость гидрофобных свойств ткани

Свойства ткани, обработанной разными составами, получились разными (таблица 3). Таблица 3

Свойства ткани, пропитанной разными составами

Выводы по главе 2

Нами были проведены опыты по созданию гидрофобной поверхности на основе эффекта лотоса.

Результаты эксперимента:

из парафина и сотни лезвий для бритвы создана модель шероховатой поверхности, имитирующей лист лотоса;

создали гидрофобную поверхность хлопковой ткани, пропитав ее специальными растворами веществ;

определили краевой угол смачивания для каждой поверхности, он оказался больше 90˚, это говорит о том, что в каждом случае была создана гидрофобная поверхность;

наиболее гидрофобная поверхность получается при обработке ткани универсальной водоотталкивающей пропиткой «Twist», а также при обработке алюминиевым мылом и пропиткой из ПВА и алюмокалиевых квасцов;

прочное гидрофобное покрытие получается при обработке ткани универсальной водоотталкивающей пропиткой «Twist» и при обработке алюминиевым мылом; время удержания капли на поверхности составляет 2,5 часа;

покрытие, выполненное в домашних условиях, не всегда получается однородным, это сказывается на времени удержания капли;

свойства ткани, обработанной пропиткой, остались прежними, кроме ткани, обработанной кальциевым мылом; ткань стала жесткой, приобрела слабый запах уксусной кислоты.

Заключение

Эффект лотоса – эффект очень низкой смачиваемости поверхности, который можно наблюдать на листьях и цветках растения рода Лотос. Только с изобретением электронного микроскопа эффект лотоса стал известен. Все дело в микроскопических бугорках, которыми покрыты листья. Капля воды, попадая на бугристую поверхность, не может на ней равномерно расположиться, т.к. этому мешают силы поверхностного натяжения. Поэтому капли скатываются с поверхности листа, не оставляя следа. Ученые стремятся создать супергидрофобный материал с использованием нанотехнологий.

Сегодня существует много вещей, обладающих эффектом лотоса. Создан водооталкивающая краска для фасадов зданий, спрей для временных самоочищающихся покрытий, ложка-неприлипайка для меда, не загрязняющийся кухонный фартук. Создание специального покрытия для стройматериалов, с помощью нанотехнологий способного противостоять загрязняющему воздействию водных и нефтяных капель. В итоге достигается так называемый «эффект лотоса»: капли, как шарики ртути, скатываются с поверхности листа, сохраняя его всегда чистым и сухим, смывая одновременно всю грязь и никогда не оставляя следов.Самая масштабная область применения открытия – Большой национальный театр в Пекине. При строительстве этого здания была с успехом внедрена технология применения наночастиц с использованием «эффекта лотоса» в покрытии для стеклянного материала (приложение 2).

В ходе нашего эксперимента мы доказали гипотезу о том, что, узнав сущность эффекта лотоса, можно создать материал с особыми свойствами.

Список литературы

Абрамзон, А.А. Возьмем за образец лист лотоса [Текст] / А.А. Абрамзон. – Химия и жизнь.- 1982. - № 11. – С.38-40.

Жданов, Э.Р. Учебные демонстрации с элементами «нано» [Текст] / Э.Р.Жданов, А.Н.Лачинов, А.Ф.Галиев. – СПб: Школьная лига, 2013. – 80 с.

Озерянский, В.А. Познаем наномир: простые эксперименты: учебное пособие [Текст] / В.А.Озерянский, М.Е.Клецкий, О.Н.Буров. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013.- 142 с.

Сумм, Б.Д. Основы коллоидной химии: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений [Текст]/ Б.Д.Сумм. – М.: Издательский центр «Академия», 2007.- 240 с.

Непромокаемые ткани [Электронный ресурс] / - URL: http://www.anytech.narod.ru/

Отделка тканей. Гидрофобизация [Электронный ресурс] / - URL: http://www.weaving-mill.ru/

Химия и производство: водонепроницаемые ткани и другие материалы [Электронный ресурс] / - URL: http://www.lformula.ru/

Эффект лотоса [Электронный ресурс] / - URL: http:// ru.wikipedia.org

Эффект лотоса [Электронный ресурс] / - URL:http://thesaurus.rusnano.com/wiki

Эффект лотоса в современных нанотехнологиях для авто [Электронный ресурс] / - URL: http:// www.nanostore.com.ua

Приложение 1

Состав водоотталкивающей пропитки

Приложение 2

Использование эффекта лотоса в строительстве

Большой национальный театр в Пекине