Глава 1. Теоретическая часть

1.1. Механизм «эффекта лотоса» и поверхностного натяжения воды

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 так называемый «эффект лотоса» (Lotus-effect).

Вода, попадающая на их поверхность, сворачивается в капли. При стекании с листа вода заодно захватывает с собой частицы пыли, тем самым очищая растения.

Рис. 1. Лист, цветы лотоса и капля воды на поверхности листа

Эффект обусловлен особенностями строения поверхности и её высокой гидрофобностью. Лепестки лотоса покрыты микроскопическими выступами. Кроме того, лист защищен восковым слоем, который вырабатывается в железах

Рис. 2. Структура поверхности лотоса

Цветение лотоса вообще уникально само по себе. Он вырастает из илистой грязи, но при этом остается абсолютно сухим и чистым, свежим и красивым.

  Как же работает этот механизм? Благодаря точным микроскопам удалось раскрыть его природу. 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. Таким образом, с помощью "лотос-эффекта" растения защищают себя от размножения и паразитирования спор, загрязнения любыми веществами. Поверхности таких особых растений способны проявлять уникальные гидрофобные возможности, благодаря которым любая жидкость не задерживается, а стекает с них, увлекая за собой и загрязнения. Частицы грязи при этом распределяются по внешней стороне капли воды, не проникая внутрь нее.

Частицы водоотталкивающих средств покрывают все волокна материала, образуя защитный слой на поверхности и делая его  гидрофобным. Вода и грязь не задерживаются на поверхности. Вместо пятен появляются капли, которые не впитываются в материал. Сухая грязь не прилипает к поверхности, а влажная грязь не поглощается волокнами.

Рис.3. Незащищенная и защищенная пропиткой поверхность

На рисунке видно, как незащищенная поверхность загрязняется и разрушается под агрессивным воздействием внешней среды. В отличии от защищенной поверхности, когда тонкий слой пропитки создает защитный барьер, отторгающий воду и грязь, защищает от химических и механических воздействий.

В первую очередь рассмотрим типы поверхностей, на которые попадает вода:

Гидрофильная. В этом случае влага растекается по материалу, занимая максимально возможную площадь.

Гидрофобная. Попадая на такую поверхность, вода не растекается, а принимает полусферическую форму. Благодаря этому влага меньше всего впитывается.

Силы поверхностного натяжения возникают из-за того, что молекулы воды притягиваются друг к другу. Взаимное притяжение молекул заставляет воду собираться в капли. Влажный конденсат на охлажденной поверхности, мелкий водяной бисер или барабанящий по зонту дождь — все это водяные капли различных размеров. Силы взаимного притяжения молекул невелики, и крупную каплю можно легко разрушить. Однако законы физики нарушить сложнее: большая капля разобьется на сотни мелких, но принцип их формирования останется таким же.

Рис.4.Молекулы воды собираются в капли разных размеров

Чем больший объем воды вбирает в себя капля, тем большая площадь на поверхности материала освобождается от водяной пленки.

Рис. 5. Капля лежит на поверхности и не смачивает её

Если притяжение между молекулами воды и молекулами твердого тела намного слабее, чем притяжение молекул воды друг к другу, то капля лежит на поверхности твердого тела и не смачивает его.

Но может ли что-то разрушить каплю, размазать ее до бесформенной пленки на поверхности материала? К сожалению, да. Дело в том, что молекулы воды притягиваются не только друг к другу. Между молекулой воды и молекулой любого другого вещества, с которым вода соприкасается, тоже возникает притяжение. В некоторых случаях оно настолько сильно, что молекулы воды буквально тянутся к молекулам иного материала, и если это притяжение сравнимо с силами поверхностного натяжения, капля растягивается, растекается по материалу. В таких случаях обычно говорят, что материал хорошо смачивается.

Но если притяжение между молекулами твердого тела и молекулами воды слабое, то смачивания не произойдет.

Рис.6. Капля впитывается в поры поверхности

Если притяжение между молекулами воды и молекулами твердого тела сильнее, чем притяжение молекул воды друг к другу, то капля растекается по поверхности твердого тела и впитывается в его поры — поверхность твердого тела смачивается.

Большая часть текстильных материалов соткана из нитей, а нити скручены из волокон. В их переплетениях множество воздушных полостей-капилляров, и если материал хорошо смачивается, то он втягивает воду во все эти полости.

1.2. Принцип работы водоотталкивающих средств

Чтобы разобраться в принципе работы пропитки, мы углубились в курсы химии и физики и сделаем теперь некоторые выводы.

Представим себе каплю воды, которая находится в невесомости. Молекулы капли в таком состоянии, расположенные по краям, стремятся присоединиться к молекулам, которые находятся в центре. То есть капля уменьшает занимаемую ей площадь и не растекается, а собирается в небольшой шар. Сила притяжения молекул, которые расположены на границе с веществом в другой фазе, называется поверхностным натяжением.

Но ситуация выглядит иначе, когда капли воды попадают на твердые тела – например, на ткань. Молекулы ткани притягивают молекулы воды. И это притяжение может оказаться сильнее, чем то, что существует между молекулами капель. Из-за этого поверхность материала в итоге промокает.

Рис. 6. Пример обуви и ткани, обработанной водоотталкивающей пропиткой

То есть задача водоотталкивающей пропитки – не буквально отталкивать от материала капли жидкости. Принцип ее работы иной – она состоит из веществ, которые имеют слабое поверхностное натяжение. Слабое в сравнении с жидкостью. Из-за этого молекулы воды преодолевают силы, притягивающие их к поверхности твердых тел, и стремятся к центру. Капли воды собираются в шар, а ткань не промокает.

1.3. Назначение водоотталкивающих средств

Понятно, что пропитка необходима для защиты от воды. Но в чем именно опасность промокания тканей?

Когда волокна впитывают воду, все пустоты в ткани оказываются заполненными ею. Из-за этого не остается путей для выхода испарений. Человек в такой промокшей одежде начинает сильно потеть.

Возникают проблемы и с теплопроводностью – в мокрой одежде и обуви вы намного быстрее замерзаете.

Наполненность всех промежутков ткани водой становится причиной еще одной проблемы – ткань тяжелеет в несколько раз.

И все эти проблемы характерны даже для мембранной ткани – верхний слой может не устоять под натиском влаги.

Рис.7. Вода и испарения на несмачиваемом и смачиваемом материале

Пористость – неотъемлемая черта многих строительных материалов. Их структура такова, что любая влага, попадающая на поверхность, способна быстро впитываться и проникать глубоко в поры. При этом значительно снижаются теплоизоляционные свойства, постепенно ухудшается внешний вид материала. В результате вода, а с ней и всевозможные примеси губительно воздействуют на строительные конструкции, вызывая их коррозию и последующее разрушение. Чтобы защитить материалы и одновременно усилить их свойства, были разработаны жидкие гидрофобизированные вещества.

Рис.8. Поведение капли на бруске дерева, пропитанной гидрофобизированным веществом

Многофункциональная водоотталкивающая жидкость способна не только препятствовать проникновению влаги в стройматериалы. С помощью нее можно:

Исключить или свести к минимуму возникновение плесени, нежелательных влажных пятен и ржавчины;

Защитить окрашенную поверхность, что продлит срок ее службы;

Увеличить устойчивость поверхности к низким температурам.

Глава 2. Практическая часть

2.1 Проводим исследование «Изготовление пропитки на основе льняного масла и бараньего жира»

Цель: Изготовить пропитку на основе льняного масла и бараньего жира.

Задача: получить продукт для пропитки обуви (крем для обуви).

Перечень материалов и оборудования: 2 кастрюли, вода, фотоаппарат.

Состав пропитки (крема) для обуви: льняное масло и бараний жир.

Рецепт приготовления: Компоненты берутся в соотношении 1:1. Для лучшего смешивания они подогреваются на водяной бане, перемешиваются до однородности, а после остывания наносятся на кожу. Наносят тканью из фланели или шерсти.

Ход работ: представлен на рисунках 8-11.

Рис.8. Берем льняное масло и бараний жир Рис.9 Разогреваем на водяной бане

Рис.10. Переливаем в баночку Рис.11. Полученную жидкую массу, оставляем остывать

Полученный продукт: пропитка, условно обозначенная №1, на основе льняного масла и бараньего жира светлого цвета, в разогретом состоянии жидкая, однородная, прозрачного желтоватого цвета масса, при остывании постепенно застывает.

Рис. 12. Готовый продукт -пропитка №1 на основе льняного масла и бараньего жира

2.2 Проводим исследование «Изготовление пропитки на основе пчелиного воска и олифы»

Цель: Изготовить пропитку на основе пчелиного воска и олифы.

Задача: получить продукт для пропитки обуви (крем для обуви).

Перечень материалов и оборудования: 2 кастрюли, вода, фотоаппарат.

Состав пропитки (крема) для обуви: пчелиный воска и олифы.

Рецепт приготовления: Компоненты берутся в соотношении 1:1, подогреваются на водяной бане, размешиваются до однородности. Перелить в емкость. Наносятся после остывания.

Ход работ: представлен на рисунках 13-16.

Рис.13. Берем пчелиный воск и олифу. Рис.14. Разогреваем на водяной бане

Рис.15. Мешаем до однородной массы Рис.16. Получаем очень густую массу

Полученный продукт: пропитка, условно обозначенная №2, на основе пчелиного воска и олифы темного цвета, в разогретом состоянии тягучая, однородная, прозрачного темно-желтого цвета масса, при переливании в емкость застывает моментально, получается очень плотная, в руках почти не тает.

Рис. 13. Готовый продукт - пропитка №2 на основе пчелиного воска и олифы

2.3 Проводим исследование «Изготовление пропитки на основе льняного масла и пчелиного воска»

Цель: Изготовить пропитку на основе льняного масла и пчелиного воска.

Задача: получить продукт для пропитки обуви (крем для обуви).

Перечень материалов и оборудования: 2 кастрюли, вода, фотоаппарат.

Состав пропитки (крема) для обуви: льняного масла и пчелиного воска.

Рецепт приготовления: Компоненты берутся в соотношении 1:3. По аналогии– подогреть на водяной бане, размешать до однородности. Перелить в емкость. Можно наносить как до, так и после остывания.

Ход работ: представлен на рисунках 14-17.

Рис.14. Берем пчелиный воск и льняное масло Рис.15. Разогреваем на водяной бане

Рис.16. Тягучую жидкость переливаем Рис.17. Даем остыть густой массе

Полученный продукт: пропитка, условно обозначенная №3, на основе льняного масла и пчелиного воска, в разогретом состоянии тягучая, однородная, светло-коричневого цвета масса, чем больше жидкость остывала, тем становилась гуще и приобретала более темный коричневый цвет, застывает после полного остывания, покрылась тонкой мутноватой пленкой, имеет твердую текстуру, но в руках тает.

Рис. 18. Готовый продукт - пропитка №3 на основе льняного масла и пчелиного воска

Фотографии исследования в Приложении №1.

2.4. Проводим исследование «Изучение водоотталкивающих свойств изготовленных пропиток на различных поверхностях»

Цель исследования: исследование поверхностей различных материалов на эффект смачивания и несмачивания до и после нанесения пропитки.

Задачи исследования:

Изучить поведение капли воды на различных поверхностях (кожа, ткань, дерево) до и после нанесения пропиток.

Выяснить какие из исследуемых поверхностей обладают «эффектом лотоса» и есть ли зависимость между формой капли на поверхности и типом поверхности.

Проверить опытным путем эффективность изготовленных пропитки №1 основе льняного и бараньего жира, №2 на основе пчелиного воска и олифы, №3 на основе льняного мала и пчелиного воска путем нанесения на различные типы поверхностей.

Перечень материалов и оборудования: кожа, замша, ткань плащевая, ткань джинсовая, деревянный брусок, деревянная фанера, вода, шприц, фотоаппарат.

Параметры оценки поверхности и капель воды:

- внешний вид поверхности

- форма капли воды на поверхности

- поведение(движение) капли воды при наклоне поверхности

- внешний вид поверхности после удаления жидкости

Рис.19. Материалы для исследования пропитки

Результаты исследования заносим в таблицы.

Таблица 1. Поведение капель воды на различных поверхностях до нанесения на поверхность водоотталкивающих пропиток

Промежуточные выводы по результатам проведенного исследования:

Капля воды на поверхности кожи и замши имеют шарообразную форму, а на поверхности ткани плащевой и деревянной фанеры - форму полусферы. На деревянном бруске капля теряет форму и впитывается в поверхность, оставляя мокрый след. На поверхности джинсовой ткани вода мгновенно впитывается (даже формы капли не наблюдается).

При небольшом наклоне на коже и замше капли не удерживаются на поверхности, стремительно слетают. Это объясняется тем, что притяжение между поверхностью кожи (замши) и каплей воды очень слабое, а между молекулами воды - сильное. Чуть медленнее капли движутся по поверхности плащевой ткани и деревянной фанеры. Капли по деревянному бруску скатывается медленно, оставляя мокрый след.

На поверхности деревянного бруска и фанеры остается ощутимый влажный след, это говорит о том, что притяжение между поверхностью дерева и каплей воды более сильное, чем между молекулами воды.

Итоговые выводы по результатам проведенного исследования:

Выяснили, что среди исследуемых поверхностей есть такие, у которых можно наблюдать "эффект лотоса". Это кожа и замша.

Ткань плащевая и фанера имеет водоотталкивающий эффект, который имеет смысл усилить. У ворсистой джинсовой ткани "эффект лотоса " не наблюдается, вода сразу же впитывается, деревянный брусок также впитывает воду после истечения некоторого времени и капли имеют нечеткие расплывчатые очертания.

3. Поверхность материала определяет форму и поведение капли воды. Так у кожи и замши четкая кругла форма и капля стремительно скатывается.

Вторым этапом исследования будет испытание опытным путем эффективности приготовленных пропиток:

нанесение на различные поверхности пропиток (легкое втирание мягкой шерстяной тканью в поверхности);

наблюдение за поведением капель воды нанесенных на различные типы поверхностей водоотталкивающими пропитками №1, №2, №3, и за движением капель при наклоне;

исследование поверхностей после удаления жидкости и выявление водоотталкивающего эффекта от примененных пропиток;

полученные данные заносим в таблицу.

Таблица 1. Поведение капель воды на различных поверхностях после нанесения на поверхность водоотталкивающих пропиток

Фотографии исследования в Приложении №2.

Выводы по результатам проведенного исследования:

Из исследованных поверхностей приобрели свойства листа лотоса кожа, замша, плащевая ткань и фанера. При этом применение пропиток эффективны, водоотталкивающие свойства усилились после их применения, капли скатывались, не оставляя следа.

Джинсовая ткань и деревянный брусок являются гидрофильными поверхностями. После применения пропитки водоотталкивающие свойства проявились, жидкость стала принимать формукапли, но тем не менее капли воды растекались на поверхности. Возможно усиление водоотталкивающего эффекта при более тщательного и обильного нанесения пропиток.

Можем сделатьпредположения о связи наблюдаемых явлений и поведением воды на листьях лотоса. Под действием сил поверхностного натяжения жидкость принимает формукапли и силы взаимодействия молекул воды между собой в капле намного больше сил взаимодействия между водой и поверхностью, поэтому жидкость на поверхности сохраняет форму капли и не смачивает её.

Жирование и обработка воском — традиционные способы придания материалу гидрофобных свойств. Жир и воск издревле применяют для защиты обуви от промокания, они являются классической водоотталкивающей пропиткой. После нанесения воска между кожей ботинок и внешней влагой образуется дополнительная прослойка из вещества, молекулы которого не притягивают или очень слабо притягивают молекулы воды. В результате такой обработки поверхность будет защищена от намокания.

Изготовленные пропитки в домашних условиях своими руками эффективны и имеют такие свойства: недорогая, компоненты доступны в аптеке или магазинах, проста в изготовлении и использовании, придает водоотталкивающие свойства поверхностям (преимущественно из кожи), предотвращает пересыхание, не меняет внешний вид и цвет изделия (т.к. без красителей), долгое время не смывается (при желании можно удалить мыльной пеной и теплой водой), не наносит вред изделиям (как при химической обработке), изготовлена из качественных натуральных материалов, поэтому является гипоаллергенной и не приносит вреда человеку, животным и окружающей среде (как при распылении водоотталкивающих спреев на основе химических соединений).

Глава 3. Применение в повседневной жизни водоотталкивающих пропиток

Применение кремов и пропиток для обуви

Уход за обувью в межсезонье и зимой существенно отличается от «летнего»: грязь, слякоть, лужи, мокрый снег, соль и песок, которыми посыпают дорожки, не идут на пользу новым ботинкам или сапогам. Не спешите расстраиваться — на помощь придут так называемые пропитки.
Пропитка для обуви представляет собой специальный состав, который образует на поверхности материала (кожи, замши, нубука и даже текстиля) защитную водоотталкивающую пленку. В результате вода и грязь «скатываются», а обувь остается чистой и сухой. Точно также как и капли илистой грязи с цветка лотоса.

В качестве основы пропиток используются силикон, воск, фторкарбоновые смолы. Также средства могут отличаться по форме выпуска: воск, эмульсия, пенка, спрей.

Преимущества качественных пропитки:

защищают от намокания;

препятствуют «въеданию» грязи и соли;

предотвращают пересыхание кожи, делают ее более эластичной;

не утяжеляют обувь;

удобны в применении;

эффективны.

Рис.19. Обувь защищенная от влаги

Средство для защиты от влаги представляет собой композицию компонентов, которые глубоко проникают в материал, обладают влагоотталкивающими свойствами, часто на жировой основе, после высыхания придают свои свойства основе. 

Применение пропиток для тканей и туристического снаряжения

Повысить водоотталкивающие свойства материала можно, используя специальную эмульсию. Пленка, которая создается на ткани при нанесении такого состава, водонепроницаема, но воздух сквозь нее проходит. На самом деле, используемые в таких составах вещества, не в прямом смысле «отталкивают воду», а притягивают ее молекулы слабее обычного.

Рис.20. Ткань защищенная от влаги

Любителям активного отдыха (альпинистам, сноубордистам, людям, которые ходят в походы) известно, какое внимание нужно уделять выбору снаряжения – одежде, обуви, палаткам.

Современная спортивная одежда, спецснаряжение, туристическая экипировка уже изначально имеют особый водоотталкивающий слой. Но через какое-то время он все равно смывается. На помощь приходят специальные составы, возвращающие этой одежде особые свойства. Вода опять прекращает впитываться в волокна ткани, а соскальзывает с ее поверхности. Пропитка от воды не только задерживает влагу, но и является грязеотталкивающей. Большинство легких и средних загрязнений не страшны для такого материала, так как грязь, состоящая из крупных молекул, не впитывается в волокна и легко счищается.

Водоотталкивающая пропитка для одежды используется в следующих целях: обработка тентов и навесов для улицы; пропитка тканевых частей детских колясок; обработка рюкзаков, палаток, сумок, прочих тканых походных аксессуаров; пропитка любой одежды: курток, перчаток, штанов, кепок, плащей; обработка уличной обуви (как кожаной, так и тканевой); предохранение от влаги и загрязнения мебели.

Применение пропиток в строительстве

Дерево – это без сомнения самый востребованный и широко применяемый строительный материал. Древесина привлекает своей эстетичностью, экологичностью, изящностью и простотой обработки.

В последнее время водоотталкивающая пропитка для дерева становится неотъемлемым атрибутом любой стройки. И это, действительно — правильное решение.

Деревянная баня, дом, беседка, какие-то отдельные конструкции строения, всегда подвержены агрессивным атмосферным воздействиям. Это влага, ветер, солнце, температурные колебания. И самый большой враг дерева – это вода. Именно повышенная влага становится причиной преждевременного старения и разрушения деревянных строений. Проще говоря – древесина просто сгнивает, плесень и грибок делают своё коварное дело. Те пропитки, которые защищают от воды и влаги принято называть антисептиками. Антисептики прекрасно «справляются» с плесенью, грибками и гнилью.

Рис.21. Деревянный дом защищенный от влаги и плесени

Вторая разрушающая проблема – огонь. Современные компоненты на водной основе способны в значительной степени усилить сопротивляемость древесины к высоким температурам.

Для работы с бетоном также было разработано эффективное средство, позволяющее защитить и укрепить пористую бетонную поверхность, заполнить поры материала, и соединяясь с верхним слоем, образовывать прочное соединение.

Рис.22. Кирпичная стена защищенная от влаги и плесени

Обработанная поверхность приобретает повышенную устойчивость к химическим веществам, влаге, влиянию низких температур и механическим нагрузкам. Нанесение вещества помогает качественно обеспылить поверхность и улучшить её гигиенические свойства. Главное - конструкции надежно будут защищены даже при обильных осадках. Кроме того, благодаря тому, что влага не проникает в пропитанный составом бетон или дерево, дому будут не страшны даже сильные морозы.

Заключение

«Эффект лотоса» – уникальное природное свойство цветка. Данное свойство я изучил в предыдущем своем проекте и решил применить его в жизни. Любая влага, попадающая на лепестки лотоса, сразу собирается в капли, которые никаким способом не могут удержаться на поверхности и неминуемо скатываются вниз, прихватывая с собой частички ила, оказавшиеся на их пути. Мы использовали это свойство природы для создания водоотталкивающей пропитки, тем самым защитили свою обувь от влаги, грязи и преждевременной изношенности. А также это свойство эффективно применяется в текстильной промышленности и при строительстве зданий.

В ходе исследования и проведенных опытов решили следующие задачи:

- изучили материалы по теме исследования, используя поиск, сбор и обработку информации;

- изготовили три пропитки на основе натуральных компонентов;

- продемонстрировали проявление «эффекта лотоса» на искусственных поверхностях до и после нанесения приготовленных пропиток;

- узнали много новых и интересных фактов о применении пропиток, кроме нанесения на обувь, на ткань, дерево и бетон;

- выявили наиболее актуальные направления применения пропиток.

Преимущества поверхностей защищенных пропиткой:

проверенная, долгосрочная и высокоэффективная защита (нанесенная пропитка защищает от воздействий окружающей среды, погодных условий);

если водоотталкивающий эффект ослабел, то в этом случае поверхность обуви или ткань нужно почистить и нанести снова пропитку, после этой простой процедуры водоотталкивающий эффект опять будет восстановлен.

жирование и обработка воском — традиционные способы придания материалу гидрофобных свойств. Жир и воск издревле применяют для защиты обуви от промокания, они являются классической пропиткой;

домашняя пропитка имеет такие свойства: недорогая, компоненты доступны, надежная защита, удобна в применении, эффективна.