Исследование поверхностных структур пленок, образованных

Тринадцатая научная конференция
«Шаг в будущее, Москва»
Исследование поверхностных структур
пленок, образованных нанопокрытием с
«эффектом лотоса»
Автор: Емельянов Артур Алексеевич,
МОУ лицей, 11 класс
Научный руководитель: Кульгашов Евгений
Владимирович
Место работы научного руководителя:
Научно-образовательный центр "Нанотехнологические
системы и наноэлектроника" (сокращённо НОЦ
"Наносистемы" кафедры ИУ4)
лаборант-исследователь
Москва, 2011
Введение
На данный момент, использование нанопокрытий в
повседневной жизни становится достаточно
распространенным. Пленочные нанопокрытия
используются в автохимии (отталкивают влагу, грязь
и брызги, попавшие на стекло битум, растительные
смолы, масляную пленку, прилипших насекомых и т.д.), в
домашнем быту (защищают и очищают кожу, текстиль,
пластик, стекла, керамику от грязи, влаги, жирных
субстанций), в промышленности (защищают и очищают
бетон, камень, медь, алюминий, оконные стекла зданий).
Полученные сведения полезны для рассмотрения физикохимических свойств поверхности после обработки
данными покрытиями, при разработке методов создания
структурной модели полимерного покрытия, способов
нанесения, а также улучшения физико-химических
свойств самих веществ.
Цель, актуальность, объект
исселедования
Объектом для исследования являлись пленки,
образованные нанопокрытием с «эффектом
лотоса», после нанесения их на стеклянную
подложку и последующего высыхания.
 Цель исследования получение практических и
теоретических сведений о структуре поверхности
нанопленок, образованных защитным покрытием с
«эффектом лотоса».
 Актуальность темы очевидна, т.к. защитные
нанопокрытия все более широко используются в
быту и промышленности, помогая продлить срок
службы устройств и покрытий, способствуя более
быстрой очистки поверхности от загрязнений,
снижению расхода моющих средств и т.д.

Решаемые задачи


а) В рамках исследования
рассматривались физико-химические
свойства защитной нанопленки.
б) Проводился анализ и обобщение
результатов исследования поверхностных
структур исследуемых пленок на
наноуровне путем сравнения сканов
пленок, нанесенных разными способами.
Образцы сравнивались между собой:
«Покрытие» – «Грунтовая очистка +
покрытие»
Водоотталкивающие свойства
лотоса

Очевидно, что лотос является
одним из важнейших символов
Востока и не только. История
почитания лотоса очень
интересна, но для
современности важнее то, что
он действительно обладает
необычными физикохимическими 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.
Способы получения покрытия с
«эффектом лотоса»
Первое из них создано в Японии – это
тончайшая пленка с выступами и
впадинами.
Секрет метода создания пленки в том, что
в среду вводят микрочастицы
органокремниевых соединений
(полиорганосиланы), причём они могут
содержать фтор (фторалкилсилан), а
могут и не содержать.
 Другой метод основан на использовании
электрохимического способа.
Используются при этом никель и тефлон.

Принцип работы «эффекта
лотоса»

Капля воды, попав на
нанотраву, не может
проникнуть между
нанотравинками, так как
этому мешает высокое
поверхностное натяжение
жидкости. Ведь для того,
чтобы проникнуть между
нанотравинками, капле надо
увеличить её поверхность, а
это необходимы
дополнительные
энергетические затраты.
Поэтому капля «парит на
пуантах», между которыми
находятся пузырьки воздуха.
Образование защитного слоя

Наночастицы, после нанесения их на
поверхность, самоорганизуются в
тончайшую пленку и прочно
сцепляются с обработанной
поверхностью. Приблизительно через
сутки (для гладких поверхностей и
тканей) или через двое (для пористых
поверхностей) формирование
покрытия окончательно завершается и
оно полностью проявляет свои
антиадгедиозные (антиприлипающие)
свойства. В результате нанесения
нанопленки энергия поверхности
настолько снижается, что жидкость и
грязь не могут на ней удержаться и
просто скатываются по ней. На вид и
на ощупь поверхность остается
прежней, ее воздухопроницаемость
также не изменяется.
ПАВ

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) —
химические соединения, которые,
концентрируясь на поверхности раздела фаз,
вызывают снижение поверхностного
натяжения. Основной количественной
характеристикой ПАВ является поверхностная
активность — способность вещества снижать
поверхностное натяжение на границе раздела
фаз — это производная поверхностного
натяжения по концентрации ПАВ при
стремлении С к нулю.
Изоприловый спирт

Изопропиловый спирт,
пропанол-2,
изопропанол,
диметилкарбинол,
ИПС — простейший
вторичный
одноатомный спирт
алифатического ряда.
Существует изомер
изопропанола — 1пропанол.
Химическая формула
изопропилового спирта:
CH3CH(OH)CH3.
Состав и указания по
безопасности

Производитель
определяет смесь как
органофункциональную
поликремневодородну
ю систему. В составе
нанопокрытия более
20 %, но менее 100 %
занимает изоприловый
спирт. Физические и
химические свойства
жидкости обусловлены
свойствами спирта.
Нанесение нанопокрытий на
подложку

Мною было использовано нанопокрытие для стекла.
Нанесение покрытия и грунтовки на подложку
происходит путем распыления вещества из баллончика,
что обеспечивает равномерное покрытие. Время
высыхания 3 часа при нормальных условиях (давление
760 мм рт. ст., температура 20 – 25 С). По инструкции,
перед нанесением покрытия, на поверхность необходимо
нанести грунтовку (для очищения). Для исследования
подготовлены два образца:
◦ Грунтовка + нанопокрытие.
◦ Нанопокрытие без грунтовки.
Исследуемые образцы не имеют внешних различий.
Предварительно стандартная подложка разделена на две
части для соответствия размеру Solver.
Исследование подложки
«Грунтовка + покрытие»

В процессе
сканирования зонд
оставляет за собой след
в виде канавки при
проходе по образцу в
направлении
сканирования, что
свидетельствует о
непрочности покрытия,
образованного пленкой.
Исследование подложки
«Грунтовка»

На скане видно, что
покрытие
неравномерное, без
выраженного
«эффекта лотоса».
Покрытие
наносилось без
предварительного
очищения подложки
грунтовой очисткой.
Вывод


В этой исследовательской работе, на СЗМ
Solver p47-pro, были рассмотрены
образцы нанопокрытия, полученные в
результате нанесения грунтовой очистки и
препарата с «эффектом лотоса», и
проведено их сравнение.
Нанесение препарата по инструкции
гарантирует гидрофобность
обрабатываемой поверхности, что легко
заметить при смачивании поверхности
водой.