Приборы для измерения краевого угла, поверхностного натяжения, поверхностной энергии твёрдых образцов
+7(495) 604-44-44
+7(495) 604-44-44
Заказать обратный звонок
Soctrade - эксклюзивный дистрибьютор в России

Анализ краевого угла при разработке непромокаемой бумаги

20 ноября 2020

Бумага находит широкое применение в нашей повседневной жизни, однако при контакте с водой бумага легко разрушается благодаря гидрофильным гидроксильным группам её главного компонента целлюлозы. Для гидрофобизации бумаги и повышения её стабильности к воде и температуре применяются в основном два метода:

  • Добавление в материал неорганических наночастиц, обработанных гидрофобизирующими агентами;
  • Микро- и наноразмерные иерархические структуры, покрытые материалами с низкой свободной поверхностной энергией.

Негативным моментом этих методов является сравнительно высокая токсичность этих модифицирующих составов (в большинстве своём фторсодержащих) и слабая адгезия, что также усложняет практическое применение этих методов. Авторы Jiao et al. предлагают инновационную стратегию решения вышеуказанных проблем путём создания иерархических структур и добавлением адгезионных материалов.

В своём проекте авторы разработали мультифункциональную супергидрофобную бумагу методом двухшагового напыления. Для напыления были выбраны микро- и наночастицы SiO2, так как они имеют низкую себестоимость, высокую температурную стабильность и оптическую прозрачность. Микро- и наночастицы SiO2 были модифицированы гидрофобными метиловыми группами на поверхности путём смешивания микрочастиц SiO2 с безфторовым гексаметилдисилазаном (ГМДС). В качестве адгезивного компонента добавляли эпоксидную смолу (ЭС). После напыления суспензии модифицированной микро- и наночастицами на лист бумаги формата А4 авторы получали супергидрофобную бумагу (СГБ) с иерархической структурой (Рис. 1B).

Рис. 1: Упрощённая схема моделей смачивания для трёх разных поверхностных структур. (A) микроструктурированная поверхнсоть, (B) иерархическая структура на поверхности, (C) наноструктурированная поверхность.

Для визуализации различий в смачиваемости была создана бумага с микроструктурой (Рис. 1A) и наноструктурой (Рис. 1C). Как и ожидалось, образцы бумаги с иерархическими структурами оказались более гидрофобными, чем образцы с микро- и наноструктурами. Более того, было установлено влияние продолжительности напыления суспензии, количества наночастиц SiO2 и количества эпоксидной смолы на значение статического краевого угла (КУС) и краевого угла скатывания (КУСск) воды с супергидрофобной бумаги (Рис. 2).

Рис. 2: Значения КУС и КУСск на СГБ как функция от (A) продолжительности напыления наночастиц SiO2, (B) количества наночастиц SiO2, (C) количества эпоксидной смолы.

Исходя из графиков видно, что при добавлении 1.0 гр наночастиц SiO2 объём удерживаемого между иерархическими структурами воздуха достигает максимума (91.3%), что ведёт к максимальной гидрофобности образца. Содержание эпоксидной смолы в суспензии не оказывает существенного влияния на значения КУС и КУСск.

Авторами были изучены механическая абразивная прочность, химическая устойчивость, устойчивость к кипящей воде и устойчивость к коррозии путём измерения КУС до и после проведения испытаний (Рис. 3). Предполагалось, что супергидрофобная бумага выдержит до 20 циклов испытаний на истирание и до 200 циклов испытаний на перегиб с незначительным понижением значений КУС. Образцы супергидрофобной бумаги отлично выдержали испытания в полном спектре pH и в кипящей воде. Дополнительный тест показал, что при написании текста под водой на СГБ гидрофобными остались как участки с текстом, так и без него.

Рис. 3: КУС на образцах СГБ (A) после каждого цикла истирания, (B) при тесте на перегиб, (C) после погружений в кипящую воду, (D) после выдержки в течение трёх минут в коррозийных составах с кислотностью от 1 до 14.

Таким образом, авторы статьи улучшили характеристики стандартной бумаги для печати путём создания на её поверхности иерархической структуры. В итоге была получена мультифункциональная супергидрофобная бумага с водоотталкивающей способностью, термостойкостью, а также стойкостью по отношению к химическим и механическим воздействиям. Данная работа представляет инновационный метод производства водостойкой бумаги с прочным покрытием, не содержащим фтора, и открывает большие перспективы для производства мультифункциональной бумаги для различных областей применения.

Для анализа поверхности СГБ использовался прибор серии OCA (DataPhysics Instruments GmbH, Германия).

Более подробную информацию можно найти в статье:

Underwater writable and heat-insulated paper with robust fluorine-free superhydrophobic coatings; Z. Jiao, W. Chu, L. Liu, Z. Mu, B. Li, Z. Wang, Z. Liao, Y. Wang, H. Xue, S. Niu, S. Jiang, Z. Han and L. Ren, Nanoscale 2020, 12, 85368545; DOI: 10.1039/C9NR10612J