Đo lường góc tiếp xúc động giúp hiểu rõ các bề mặt có khả năng tự làm sạch như thế nào?

Bề mặt chống bám bẩn và dễ lau chùi ngày càng trở nên quan trọng đối với các sản phẩm thông minh hiện nay cũng như để tối ưu hóa các quy trình công nghệ khác nhau.

Bề mặt tự làm sạch có thể được chia thành ba loại: bề mặt siêu kỵ nước, bề mặt siêu thấm nước và bề mặt xúc tác quang. Bề mặt siêu kỵ nước là những bề mặt không thấm nước và bám bẩn, bề mặt siêu thấm nước cho phép màng nước với các hạt rắn trượt đi dễ dàng còn lớp phủ chứa xúc tác quang bẻ gãy liên kết hóa học của chất bẩn khi tiếp xúc với ánh sáng. Mặc dù các lớp phủ siêu kỵ nước đã được thương mại hóa, tuy nhiên cơ chế cơ bản trong quá trình tự làm sạch của chúng vẫn còn chưa thực sự rõ ràng.

Butt, Vollmer cùng các cộng sự gần đây đã giới thiệu một bề mặt siêu kỵ nước dạng lỗ nano có chức năng tự làm sạch và mô tả thành công cơ chế hoạt động của quá trình này ở kích thước micromet. Các tác giả đã phát triển một bề mặt siêu kỵ nước được thiết kế tốt để có thể chống lại tỷ lệ nhiễm bẩn cao, bao gồm cả các hạt nano kỵ nước và ưa nước và chỉ ra rằng kích thước lỗ của lớp phủ bề mặt là yếu tố chính cho khả năng chống nhiễm bẩn.

Trong các thí nghiệm được thực hiện, các lam kính phủ sợi nano silicone được sử dụng làm bề mặt mẫu. Để mô phỏng sự nhiễm bẩn các thành phần kỵ nước, chẳng hạn như muội than hoặc bụi, các bề mặt siêu kỵ nước dạng lỗ nano bị làm bẩn bởi các hạt kỵ nước khác nhau (Sơ đồ 1, A). Sau đó, các bề mặt được rửa sạch bằng các giọt nước để loại bỏ các hạt bẩn đấy.

Sơ đồ 1, A: Sơ đồ minh họa quá trình tự làm sạch các hạt kỵ nước

Hình 1 cho thấy tất cả các bề mặt bị nhiễm bẩn bởi các hạt kỵ nước với góc lăn nhỏ (<2 °) và góc tiếp xúc lớn (> 150 °) sau khi tự làm sạch. Các góc tiếp xúc tĩnh và góc lăn được đo bằng thiết bị đo góc tiếp xúc quang học DataPhysics OCA 35.

Hình 1: Các góc tiếp xúc tĩnh và góc lăn sau khi tự làm sạch của bề mặt siêu kỵ nước bị nhiễm bẩn bởi các hạt kỵ nước

Để mô phỏng sự nhiễm bẩn phức tạp và khó khăn nhất, các bề mặt được xử lý với các hạt ưa nước khác nhau được phân tán trong ethanol (Sơ đồ 1, B, C).

Sơ đồ 1: (B) màng các hạt ưa nước (màu đỏ, 2R > p) và (C) màng các hạt ưa nước (màu đỏ, 2R < p) gây ra bởi một giọt nước (màu xám) trên một bề mặt siêu kỵ nước (màu xanh lam). Trong đó: R: đường kính hạt; p: đường kính lỗ bề mặt

Kết quả được trình bày trong Hình 2 và dẫn đến các kết luận như sau:

  • Các hạt từ 10 đến 50 μm và hạt 1,5 μm (2R > p) không thể đi vào bên trong lớp phủ, và chúng dễ dàng bị loại bỏ bởi các giọt nước.
  • Hầu hết các hạt 600 nm (2R ~ p) cũng bị loại bỏ, và bề mặt cho thấy góc lăn nhỏ (<2 °) cùng góc tiếp xúc lớn (> 150 °).
  • Các hạt 80 và 200 nm (2R <p) có thể xâm nhập vào trong các lỗ nano, dẫn đến bề mặt không thể tự làm sạch. Các góc tiếp xúc giảm xuống tương ứng khoảng 40° và 140°, góc lăn tăng lên trên 90 °. Trong trường hợp này, kích thước lỗ của lớp phủ phải được thiết kế càng nhỏ càng tốt để có khả năng chống nhiễm bẩn cao hơn.

Để hiểu sâu hơn về cơ chế làm sạch, các tác giả đã theo dõi sự tương tác giữa các hạt ưa nước hoặc kỵ nước có kích thước 10 đến 50 μm trên bề mặt siêu kỵ nước dạng lỗ nano với các giọt nước thể tích 10 μl bằng kính hiển vi tiêu điểm quét laser (LSCM). Họ nhận thấy rằng giọt nước này nâng các hạt lên khỏi bề mặt, giống như có một lớp bao quanh giọt nước tạo thành cái gọi là viên bi lỏng; và định lượng các lực tham gia vào quá trình tự làm sạch. Ngoài ra, các sợi vải polyester được phủ bề mặt siêu kỵ nước dạng lỗ nano cũng đã được ứng dụng trên xe hơi (vải được cố định ở cửa sổ phía trước, phía sau, phía cuối xe và gương hai bên; địa điểm: khu vực Rhineland-Palatine ở Đức, thời gian: 257 ngày, nhiệt độ: −10 - 32 ° C, độ ẩm: 40-100%). Không tìm thấy sự nhiễm bẩn nào giữa các sợi nano ngay cả sau khi để bề mặt tiếp xúc với bức xạ cực tím cao, mưa, sương giá, đóng băng, côn trùng và bụi bẩn. Một thử nghiệm mô phỏng quá trình bám bụi công nghiệp đối với sơn và lớp phủ từ Evonik Resource Efficiency GmbH đã xác minh tính chất tự làm sạch tốt cùng khả năng chống nhiễm bẩn cao hơn của chúng so với các loại vải trần và bề mặt thông thường.

Cách xác định góc lăn

No alt text provided for this image

Góc lăn được định nghĩa là góc cần nghiêng để cho giọt chất lỏng trên bề mặt đó có thể lăn. Góc lăn phụ thuộc nhiều vào các điều kiện đo, chẳng hạn như kích thước giọt và tốc độ nghiêng. Do đó, để đo góc lăn chính xác và có độ lặp lại, điều quan trọng là phải làm việc với hệ thống nghiêng điện tử như TBU 100 của DataPhysics, cho phép điều khiển chính xác tốc độ nghiêng và góc α.

Các giọt chất lỏng thường bị biến dạng trước khi lăn, dẫn đến các giọt biến dạng này sau đó bị trượt trên bề mặt. Sự biến dạng của giọt chất lỏng sẽ dẫn đến việc góc tiếp xúc θadv tăng còn góc θrec giảm. Sự khác biệt của các góc này còn được gọi là độ trễ góc tiếp xúc - là thước đo cho độ nhám và độ không đồng nhất của bề mặt.

Nhìn chung, bài báo này giới thiệu một bề mặt siêu kỵ nước dạng lỗ nano với khả năng chống nhiễm bẩn cao như đã được chứng minh trong môi trường thử nghiệm thực tế (trên cửa kính ô tô) và các trường hợp thử nghiệm trong công nghiệp. Các tác giả nhấn mạnh rằng kích thước lỗ của lớp phủ đóng vai trò quan trọng trong quá trình tự làm sạch. Các bề mặt dựa trên các sợi nano với kích thước lỗ dưới 500 nm có thể chịu được hầu hết các loại hạt bụi bẩn (kích thước: 600 nm - 50 μm). Do đó, nghiên cứu này mang lại những lợi thế đáng kể trong việc chế tạo các bề mặt siêu kỵ nước với khả năng tự làm sạch.

Thiết bị phân tích góc tiếp xúc quang học OCA 35 (DataPhysics Instruments GmbH, Germany) đã được sử dụng trong nghiên cứu này.

References

  1. When and how self-cleaning of superhydrophobic surfaces works; Florian Geyer, Maria D’Acunzi, Azadeh Sharifi-Aghili, Alexander Saal, Nan Gao, Anke Kaltbeitzel, Tim-Frederik Sloot, Rüdiger Berger, Hans-Jürgen Butt, Doris Vollmer; Sci. Adv. 2020, 6, eaaw9727; DOI: 10.1126/sciadv.aaw9727

Cần hỗ trợ thêm thông tin, Quý khách vui lòng liên hệ:

Hoặc để lại tin nhắn như form bên dưới: