Гидрофобные свойства что это

Гидрофобность

Гидрофо́бность (греч. ὕδωρ — гидро, вода и φόβος — фобос, боязнь) — способность поверхности вещества не смачиваться с водой. Вода на поверхности гидрофобного вещества собирается в капли, которые не проникают внутрь.

Физика гидрофобности

Физико-химическая природа гидрофобности связана с фундаментальными термодинамическими законами, в частности стремлением системы достигнуть минимума энергии за счет выделения энергии в окружающую среду. Большинству людей не интересны такие сложные вещи, поэтому, как упрощение появилось понятие гидрофобных сил (хотя физически таких сил не существует).

Практически для создания гидрофобных поверхностей используются неполярные молекулы, которые как бы «отталкивают» воду. Аналогичный процесс можно наблюдать, когда капля жидкого масла попадает в воду.

В настоящее время явление сверхгидрофобности используется во многих нанотехнологических системах.

Гидрофобность и строительные материалы

Гидрофобность является полезным качеством для некоторых строительных материалов (цемента, пленок), препятствуя проникновению воды. Часто теплоизоляционные материалы, например, минеральную вату, пропитывают специальными веществами, создающими гидрофобную микропленку.

Надежность гидрофобного слоя

Контакты с большинством растворителей и масел могут приводить к потере гидрофобности. Также она теряется при загрязнении материала. После потери гидрофобности поверхность становятся водопроницаемой.

Не нужно путать гидрофобность и водонепроницаемость. Например, полиэтилен является водонепроницаемым, поэтому пленка из него, даже смоченная спиртом или сильно загрязненная (но без дырок), не будет пропускать воду. Гидроизоляционная пленка, основанная на гидрофобности поверхностного слоя и свободно пропускающая воздух, будет служить только до тех пор, пока внешний слой не потеряет гидрофобность, например, от микрочастиц пыли.

Источник

Обработка гидрофобными составами

Обработка гидрофобными составами — одно из основных направлений работы компании « Техно НОВО». Оперативно составим смету, заключим договор, а также профессионально проконсультируем по выбору необходимой технологии и материалов!

Вода это самая удивительная материя на нашей планете. Она одновременно является самым плодотворным создателем и самым грозным разрушителем. Повышенная влажность окружающей среды, агрессивные грунтовые воды и обильные сезонные осадки, всегда были самой серьезной угрозой для строительных объектов. Медленное, но неумолимое воздействие воды губительно для самого прочного строительного материала.

И самой насущной проблемой строителей испокон веков была защита от непосредственного контакта и вредного воздействия жидкости. Лучшим помощником в этом деле стали гидрофобные составы, которые способны обеспечить водоотталкивающими качествами основные пористые строительные материалы, такие как:

Помимо этого гидрофобизирующий состав усиливает такие качества конструкций как:

Гидрофобный эффект

Гидрофобность некоторых молекул известна человечеству очень давно. Это физическое качество вещества, для которого характерно избегать общения с водой. Поверхность, на которую нанесен слой подобного состава невозможно намочить. Вода будет просто собираться каплями, и стекать, не причиняя ни какого вреда основному материалу.

Процесс гидрофобизации происходит на уровне молекул, которые смешиваясь с молекулами основного материала, наделяют его водоотталкивающими качествами за счет отрицательного угла смачивания.

Гидрофобные материалы

Около сорока лет назад изобрели первые составы, обладающие гидрофобным эффектом. Это были далекие от совершенства жидкости, которые отличались высокой пожароопасностью и низкой эффективностью. Причем некоторые из них требовали применения органических растворителей, не отличающихся долгожительством.

Современный гидрофобизатор, это высокомолекулярное соединение, кремнийорганические полиорганосилоксаны различного вида. Например, такие как:

Используемый влагозащитный состав гидрофобных смесей создает надежную защиту поверхности основного материала конструкции от агрессивного воздействия окружающей среды. Во много раз снижает впитывающие свойства бетона и кирпича. А так же современные гидрофобизаторы обладают антисептическим действием, то есть предотвращают рост плесени и грибков.

Важно помнить!
Нанесение гидрофобного слоя, это не гидроизоляция поверхности. Гидрофобизаторы не могут полностью закрыть поры и трещины, они пропитывают основной материал, повышая его устойчивость к воздействию влаги.

Гидрофобная обработка при гидроизоляции стен

При обработке стен гидрофобными материалами не следует забывать, что гидрофобизаторы рационально применять только как завершающий слой обработки. На поверхность, пропитанную водоотталкивающим средством, уже невозможно нанести отделочный материал, так как не ней практически полностью отсутствует адгезия.

После гидрофобизации фасада стены здания приобретают такие качества как:

Наносить гидрофобизаторы на стену можно кистью, валиком или пульверизатором — все зависит от качества кладки, ее рельефности и материала.

Обработка кирпича гидрофобными составами

Кирпич боится влаги еще больше чем бетон. Не смотря на множество своих положительных качеств, без специального защитного покрытия, которое может создать только гидрофобный водоотталкивающий состав, кирпич быстро разрушится изнутри, за счет активного проникновения влаги во множественные поры.

Для обработки кирпичной кладки сегодня широко используются пропитки. Гидрофобные составы на силиконовой основе обладают высокими показателями, и хорошо зарекомендовали себя. Создавая на обрабатываемой поверхности прочную преграду для проникновения сырости и потока воды, они не нарушают микроциркуляцию молекул воздуха в самом материале.

Обязательным условием успешной гидрофобизации кирпича является тщательная подготовка поверхности. Иначе проделанная работа может оказаться бесполезной.

Водоотталкивающая пропитка для бетона

Бетон является дышащим материалом, то есть имеющим микроскопические поры или капилляры. С одной стороны это его достоинство, но с другой, и серьезный недостаток, так как в эти поры всасывается влага, которая в последствие разрушает структуру стен. Для того, что бы оградить бетон от внутреннего разъедания, был разработан эффективный состав, способный одновременно укреплять пористую структуру.

Действует пропитка для бетона так:

Лучшими гидрофобизаторами для бетона считаются кремнийорганические жидкости, разводимые водой с добавлением при желании цветовых пигментов.

Полезные советы
Для того что бы создать гидрофобный бетон или водоотталкивающую кирпичную кладку, стоит прислушаться к нескольким советам специалистов.

Стоимость обработки гидрофобными составами

Стоимость обработки поверхностей гидрофобными составами и срок выполнения работ в каждом случае определяются индивидуально – они зависят от объёма и сложности. Наши специалисты с радостью приедут к Вам на объект в удобное для Вас время для оценки сложившейся ситуации. Выберут самый оптимальный вариант обработки и посоветуют те или иные гидрофобизаторы для обработки поверхности, составят смету. Мы всегда рады Вам помочь!

Источник

Термин гидрофоб происходит от древнегреческого ὑδρόφόβος (hýdrophóbos), «ужас перед водой», образованного от древнегреческого ὕδωρ (húdōr) «вода» и древнегреческого φόβος (phóbos) «страх».

СОДЕРЖАНИЕ

Химический фон

Супергидрофобность

Теория

γ SG <\ displaystyle \ gamma _ <\ text > \> = Межфазное натяжение между твердым телом и газом γ SL <\ displaystyle \ gamma _ <\ text > \> = Межфазное натяжение между твердым телом и жидкостью γ LG <\ displaystyle \ gamma _ <\ text > \> = Межфазное натяжение между жидкостью и газом

Венцель определил, что, когда жидкость находится в тесном контакте с микроструктурированной поверхностью, θ изменится на θ _{W *}

Мы можем предсказать, должно ли существовать состояние Венцеля или Кэсси – Бакстера, вычислив новый угол смачивания по обоим уравнениям. Путем минимизации аргумента о свободной энергии соотношение, которое предсказало меньший новый угол смачивания, является наиболее вероятным состоянием. С математической точки зрения, для существования состояния Кэсси – Бакстера должно выполняться следующее неравенство.

Недавний альтернативный критерий для состояния Кэсси-Бакстера утверждает, что состояние Кэсси-Бакстера существует, когда выполняются следующие 2 критерия: 1) силы контактной линии преодолевают массовые силы веса неподдерживаемой капли и 2) микроструктуры достаточно высоки, чтобы не допустить попадания жидкости который связывает микроструктуры от соприкосновения с основанием микроструктур.

Недавно был разработан новый критерий переключения между состояниями Венцеля и Кэсси-Бакстера, основанный на шероховатости поверхности и поверхностной энергии. Критерий фокусируется на способности удерживать воздух под каплями жидкости на шероховатых поверхностях, что позволяет определить, следует ли использовать модель Венцеля или модель Кэсси-Бакстер для определенного сочетания шероховатости поверхности и энергии.

Исследования и разработки

Многие гидрофобные материалы, встречающиеся в природе, основаны на законе Кэсси и являются двухфазными на субмикронном уровне с однокомпонентным воздухом. Эффект лотоса основан на этом принципе. На его основе было создано множество функциональных супергидрофобных поверхностей.

Значительному большинству гидрофобных поверхностей гидрофобные свойства придаются структурной или химической модификацией поверхности объемного материала с помощью покрытий или обработки поверхности. Другими словами, наличие молекулярных частиц (обычно органических) или структурных особенностей приводит к высоким краевым углам смачивания воды. В последние годы было показано, что оксиды редкоземельных элементов обладают собственной гидрофобностью. Собственная гидрофобность оксидов редкоземельных элементов зависит от ориентации поверхности и уровней кислородных вакансий и, естественно, более прочна, чем покрытия или обработка поверхности, имея потенциальное применение в конденсаторах и катализаторах, которые могут работать при высоких температурах или в агрессивных средах.

Приложения и потенциальные приложения

Гидрофобный бетон производится с середины 20 века.

Активные недавние исследования супергидрофобных материалов могут в конечном итоге привести к большему количеству промышленных применений.

Сообщалось об эффективном режиме для придания полиэтилена супергидрофобности и, следовательно, самоочищающегося. 99% грязи на такой поверхности легко смываются.

Узорчатые супергидрофобные поверхности также могут быть использованы для создания микрожидкостных устройств «лаборатория на кристалле» и могут значительно улучшить поверхностный биоанализ.

Источник

Гидрофильность и гидрофобность

Полезное

Смотреть что такое «Гидрофильность и гидрофобность» в других словарях:

Гидрофильность и гидрофобность — (от греч. hydor вода и philia любовь или phуbos боязнь, страх * a. wetting ability hydrophoby; н. Hydrophilie und Hydrophobie; ф. hydrophilite et hydrophobie; и. hidrofilia e hidrofobia) понятия, характеризующие сродство веществ или… … Геологическая энциклопедия

ГИДРОФИЛЬНОСТЬ И ГИДРОФОБНОСТЬ — (от греч. hydor вода, phileo люблю, phobos боязнь, страх), понятия, характеризующие сродство тв. тела к воде, обусловленное силами межмолекулярного взаимодействия и обнаруживающееся в явлениях смачивания. Г. и г. частный случай лиофильности и… … Физическая энциклопедия

Гидрофильность — (от др. греч. ὕδωρ вода и φιλία любовь) характеристика интенсивности молекулярного взаимодействия вещества с водой, способность хорошо впитывать воду, а также высокая смачиваемость поверхностей водой. Наряду с гидрофобностью… … Википедия

Гидрофобность — Капелька росы на гидрофобной поверхности листа … Википедия

Лиофильность и лиофобность — (от греч. lýo растворяю, philéo люблю и phóbos страх) характеристики способности веществ или образуемых ими тел к межмолекулярному взаимодействию с жидкостями. Интенсивное взаимодействие, т. е. достаточно сильное взаимное притяжение… … Большая советская энциклопедия

ЛИОФИЛЬНОСТЬ И ЛИОФОБНОСТЬ — (от греч. lyo растворяю, philed люблю и phobos страх), характеристики межмолекулярного взаимодействия в ва и среды (напр., воды, углеводорода), в к рой оно находится. В случаях, когда средой служит вода, используют обычно термины гидрофильность и … Химическая энциклопедия

Амфифильность — (иначе дифильность) свойство молекул веществ (как правило, органических), обладающих одновременно лиофильными (в частности, гидрофильными) и лиофобными (гидрофобными) свойствами[1]. Содержание 1 Описание 2 Иллюстрация … Википедия

Гидрофильные коллоиды — дисперсные системы, в которых диспергированное вещество взаимодействует с дисперсной средой (водой). См. Гидрофильность и гидрофобность … Большая советская энциклопедия

Гидрофобные коллоиды — дисперсные системы, в которых диспергированное вещество не взаимодействует с дисперсной средой (водой). См. Гидрофильность и гидрофобность … Большая советская энциклопедия

Гидрофобные покрытия — тонкие слои несмачивающихся водой веществ на поверхности гидрофильных материалов. Г. п. часто называют водоотталкивающими, что неправильно, т.к. молекулы воды не отталкиваются от них, а притягиваются, но крайне слабо (см. Гидрофильность и … Большая советская энциклопедия

Источник

Наноструктурированные сверхгидрофобные поверхности помогут избежать обледенения

Материалы, которые не подвержены обледенению, были бы очень востребованы в авиастроении, техническом обслуживании автомобильных дорог и линий электропередач, строительстве и во многих других областях человеческой деятельности. К сожалению, такие вещества пока не созданы. Существующие методы борьбы с обледенением либо очень энергоемки, либо наносят вред окружающей среде. Американские ученые из Висконсинского и Гарвардского университетов, исследовав динамику столкновения капель воды с различными холодными поверхностями (температура меньше 0°C), предложили идею, как можно преодолеть это природное явление. Проведенные эксперименты показывают, что, используя сверхгидрофобные вещества (сильно отталкивающие воду) с искусственно созданными на их поверхности наноструктурами, можно предотвратить изначальный рост льда на них и избежать обледенения.

Большинство инфраструктурных объектов, используемых человечеством, остаются уязвимыми для такого природного явления, как обледенение. Распространяясь по какой-либо поверхности в виде даже очень тонкого слоя, лед способен разрывать линии электропередач, разрушать трубопроводы, делать дороги непроходимыми, значительно уменьшать подъемную силу самолета и т. д. Образовавшаяся ледяная корка настолько прочна, что ликвидировать ее на больших территориях очень сложно, а то и невозможно.

Самый распространенный способ избавления от льда — плавление. Однако существующие для этого физические и химические методы сопряжены с определенными проблемами. Прежде всего, из-за значительной удельной энергии плавления льда на нагревание надо затратить большое количество энергии. К тому же, в случае разной толщины льда, трудно оценить продолжительность нагревания. Определение «на глаз» создает серьезный риск разрушения поверхности и опять-таки требует значительных энергетических затрат. Соль, уменьшающая температуру кристаллизации воды, приводит к коррозии поверхностей и наносит вред экологии. Этиленгликоль (еще одно вещество, используемое в борьбе с обледенением) токсичен.

Однако ученые не оставляют попыток разработать эффективную методику противостояния ледяной угрозе. Для этого они детально изучают процесс формирования льда на поверхности различных веществ. Им удалось обнаружить, что образование пресловутой ледяной корки начинается с взаимодействия капель воды с поверхностью, на которой они находятся. Следовательно, предупреждать обледенение можно, если каким-то образом научиться создавать поверхности, которые не только не позволяли бы каплям замерзать, но и вообще отталкивали бы их от себя.

Механизм отталкивания воды и водяных капель уже давно используется в природе. Его применяют более 200 видов растений (хорошо известен эффект лотоса) и различные животные (например, водомерки). Все эти живые организмы имеют в своем распоряжении поверхности, сильно и очень сильно отталкивающие от себя воду. Такое «неприятие» воды называется соответственно гидрофобностью и сверхгидрофобностью. Возникает оно не только благодаря определенным физико-химическим характеристикам материалов, но и, как выяснилось, за счет «хитрой» геометрической структуры их поверхности.

Хорошей иллюстрацией природного использования структурированных микрошероховатостей с целью улучшения водоотталкивающих свойств может служить лист растения таро (Colocasia esculenta). На снимке (рис. 1), сделанном с помощью сканирующего электронного микроскопа, хорошо видны упорядоченные структуры на поверхности сверхгидрофобного листа этого растения.

Чтобы выяснить, как геометрия поверхности может помочь в решении проблемы обледенения, ученые из Висконсинского и Гарвардского университетов США исследовали динамику столкновения капель воды со сверхгидрофобным материалом при положительной и отрицательной температуре. Исходя из полученных результатов, они выдвинули гипотезу, согласно которой «правильно» сконструированные наноструктуры на поверхности сверхгидрофобного вещества способны отталкивать воду вплоть до –30°C, предотвращая тем самым образования ледяной корки.

Гидрофильность, гидрофобность и сверхгидрофобность

Представим себе, что на абсолютно гладкой поверхности материала (подложке) находится капля воды. Между водой и поверхностью будет возникать межмолекулярное взаимодействие, которое называется смачиванием.

Количественно это явление характеризуется краевым углом (углом смачивания). Это угол между поверхностью и касательной плоскостью, проведенной к границе раздела системы «капля жидкости — поверхность — окружающая среда». По величине краевого угла судят о характере взаимодействия капли с поверхностью (рис. 2). Если краевой угол находится в пределах от 0° до 90°, то поверхность называется гидрофильной (сильное смачивание). Форма капли на гидрофильной поверхности определяется краевым углом: чем меньше краевой угол, тем сильнее растекается капля и тем больше площадь ее контакта с подложкой. При краевом угле от 90° до 150° поверхность считается гидрофобной (слабое смачивание). В этом случае капля воды стремится принять форму, близкую к шарообразной, поэтому площадь ее контакта с гидрофобной поверхностью невелика. Когда же угол смачивания превышает 150° (и, естественно, не превосходит 180°), капля едва соприкасается с поверхностью (представляет собой почти шар). Такие поверхности называются сверхгидрофобными (смачивание практически отсутствует).

Описанные типы взаимодействия капли с поверхностью, как и многие другие физические явления, обусловлены принципом минимума энергии: капля стремится принять форму с минимально возможным значением энергии. Один из «источников» энергии капли (если она не очень большая, иначе нужно учитывать еще и силу тяжести) — взаимодействие молекул воды между собой и взаимодействие поверхности с близлежащими молекулами воды. Если сила межмолекулярного взаимодействия между молекулами воды внутри капли слабее взаимодействия между молекулами воды и поверхности, то капле энергетически выгодно растечься (то есть сформировать острый краевой угол). Так возникает явление гидрофильности.

Когда молекулы воды внутри капли сцеплены сильнее, чем сила, с которой они контактируют с поверхностью, капле выгоднее иметь форму, близкую к шару В этом случае реализуется гидрофобность. Сверхгидрофобность означает, что молекулы воды практически не обращают внимания на силы, действующие со стороны подложки. Для обеспечения минимума энергии капли молекулам воды лучше всего взаимодействовать только между собой.

Всё вышесказанное относится к идеально гладкой поверхности. В действительности же любая поверхность, даже кажущаяся гладкой, имеет наноскопические и микроскопические шероховатости. Многочисленные эксперименты установили, что этот нано- и микрорельеф способен существенно менять краевой угол и делать его неоднозначным в определении (специалисты называют это гистерезисом смачивания). Поэтому свойства поверхности в отношении попадающей на нее воды могут существенно меняться: например, гидрофобная поверхность может стать сверхгидрофобной. Происходит это, во-первых, потому, что шероховатости увеличивают площадь взаимодействия поверхности с каплей. А во-вторых, форма микрорельефа влияет на то, как капля после попадания на поверхность будет растекаться по ней.

Учет второй причины в теоретических моделях, описывающих растекание капли, до сих пор представляет собой сложную задачу. Очевидно, что распределение шероховатостей по поверхности носит, как правило, случайный характер. Однако для простоты дальнейшего изложения будет считать, что они образуют регулярную сетку из нано- или микроскопических столбов.

На рис. 3 показаны два основных типа расположения капли на сверхгидрофобной шероховатой поверхности: состояние Венцеля (рис. 3а) и состояние Кассье (рис. 3b). В состоянии Венцеля капля частично смачивает шероховатые области, и поэтому заполняет их водой. В состоянии Кассье капля не реагирует на рельеф поверхности и не смачивает участки с шероховатостями, имея меньшую площадь контакта.

Что нового?

То, что изначально гидрофобная поверхность при нанесении на нее специальных наноструктур усиливает свои водоотталкивающие свойства, становясь сверхгидрофобной, для ученых секретом не было. Эта уловка уже активно используется при создании сверхгидрофобных поверхностей.

Новизна этой работы в том, что подавляющее большинство опубликованных статей о влиянии рельефа на сверхгидрофобность относятся лишь к взаимодействию неподвижных (статичных) капель с поверхностью. О том, как происходит этот процесс в динамике, известно очень мало. Кроме того публикации с подобными экспериментами содержат изыскания, проведенные при комнатной температуре. Однако задавшись целью выяснить, как сверхгидрофобная поверхность и наноструктуры на ней могут помочь в борьбе с обледенением, необходимо проследить и изучить во времени процесс столкновения капель воды с подложкой, температура которой меньше 0°C. Именно это и было впервые проделано авторами обсуждаемой здесь статьи.

Для этого ученые изготовили сверхгидрофобную поверхность из фторированного кремния, на которую литографическим образом нанесли разного рода и разного размера упорядоченные наноструктуры (рис. 4). Далее они провели серию экспериментов, в которых наблюдали падение капель объемом 15 мкл (радиус несколько миллиметров) с высоты 10 см на кремниевую подложку, температура которой варьировалась от +20°C до –35°C. Температура капель также не была константой и менялась в пределах от –5°C (переохлажденная капля) до +60°C.

Чтобы придать своим экспериментам большую наглядность, ученые параллельно для тех же температур изучали столкновение капель с гидрофильной поверхностью шероховатого алюминия и поверхностью гидрофобного фторированного кремния, но уже без всяких наноструктур. Поскольку главной задачей авторов статьи было понять, как происходит образования льда на поверхности, основное внимание они сосредоточили на каплях с температурой 0°C, которые падают на подложку с отрицательными значениями температур. Иначе говоря, изучались условия, с которых в природе начинается обледенение.

При помощи высокоскоростной видеокамеры записывался процесс столкновения капель сначала с поверхностями, наклоненными под углом 30°, а затем с теми же поверхностями, расположенными горизонтально. Полученное видео позволило проанализировать, как меняется радиус капли в ходе ее соударения с холодной поверхностью. В частности, после падения капли на подложку фиксировался момент ее максимального расширения (r_max) и максимального сужения (r_min).

В ходе экспериментов ученые получили еще один очень важный результат. Приземлившись на сверхгидрофобную поверхность, капля находится в состоянии Кассье. Почему этот факт так важен? Предположим, что капля всё-таки ухитрилась замерзнуть на сверхгидрофобной поверхности. Теперь еще раз взглянем на рис. 3b, который иллюстрирует состояние Кассье. Видно, что вода не проникает непосредственно вглубь шероховатостей и потому, в отличие от состояния Венцеля, имеет маленькую площадь соприкосновения со сверхгидрофобной подложкой. Следовательно, с такой поверхности можно относительно легко убрать замороженную каплю (см. видео), не оставив никаких ледяных следов.

Наконец, ученые выяснили, что наноструктурированные сверхгидрофобные поверхности проявляют высокую гидростатическую и гидродинамическую устойчивость. Максимальное давление, при котором поверхность сохраняет свои сверхгидрофобные свойства (то есть краевой угол капли остается неизменным) достигает 40–60 атмосфер. Это эквивалентно давлению, которое оказывали бы капли, падающие на эту поверхность со скоростью 90–135 м/с. Правда, приведенные данные относятся лишь к структурам на поверхности, имеющим так называемую «закрытую» геометрию — например, в виде кирпичиков или пчелиных сот. Для «открытых» геометрий типа сетки столбиков значения будут меньше. Главная причина такой зависимости связана с тем, что капли, находящиеся на геометрически закрытых наноструктурах, способны герметично удержать под собой воздух, который амортизирует внешнее давление. Наконец, немаловажен и тот факт, что поверхности с закрытой геометрией технологически легче изготавливать.

Так что надо противостоять не обледенению, а предшествующим ему событиям. Авторы надеются, что проделанная ими работа поможет по-новому взглянуть на тактику борьбы с образованием льда на различных поверхностях.

Источник: Lidiya Mishchenko, Benjamin Hatton, Vaibhav Bahadur, J. Ashley Taylor, Tom Krupenkin, Joanna Aizenberg. Design of Ice-free Nanostructured Surfaces Based on Repulsion of Impacting Water Droplets // Nanoletters. 2010, 4 (12). P. 7699–7707.

См. также:
Б. Д. Сумм. Гистерезис смачивания // Соросовский образовательный журнал. 1999, №7, с. 98–102.

Источник