Создание функционального рельефа на поверхности стекла путем нанесения гидрофобизатора в условиях ВЧИ-разряда пониженного давления

УДК 535:533.9 А. В. Трофимов

СОЗДАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО РЕЛЬЕФА НА ПОВЕРХНОСТИ СТЕКЛА

ПУТЕМ НАНЕСЕНИЯ ГИДРОФОБИЗАТОРА

В УСЛОВИЯХ ВЧИ-РАЗРЯДА ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ

Ключевые слова: микрорельеф, стекло, ВЧИ-разряд пониженного давления, многомодальный рельеф, конфокальная лазерная сканирующая микроскопия, напыление, функциональный рельеф, гидрофобизатор.

Исследован процесс получения микрорельефа путём нанесения стеариновой кислоты в высокочастотном индукционном разряде пониженного давления для получения гидрофобного покрытия. В качестве подложки использовались гладкие пластины стекол и стекла с текстурированной поверхностью. Стеарин инжектировался в разряд с потоком газа и напылялся на поверхность подложки.

Keywords: microrelief, glass, high-frequency low-pressure plasma spray, multi-modal relief, CLSM, sputtering, functional coating,

water-repellent agent.

The process of obtaining a microrelief by applying stearic acid in the high-frequency induction discharge of low pressure to obtain a hydrophobic coating. The substrate used smooth plates of glass and glass with a textured surface. Stearin injected into the discharge with a gas flow and was deposited on the substrate surface.

Направленная модификация поверхностного слоя различных материалов является актуальной научной задачей современного материаловедения и имеет ряд исследований в этой области [1]. Предложено создать гидрофобную,

текстурированную поверхность, на стекле, функционирующую на "лотос эффекте", путем напыления мелкодисперсных частиц в условиях газоразрядной плазмы.

В качестве подложек использовались гладкие пластины минерального стекла и стекла с предварительно нанесенным многомодальным рельефом из дисперсного диоксида кремния. Нанесение гранул стеариновой кислоты проводилось в плазме высокочастотного индукционного (ВЧИ) разряда пониженного давления. В данном исследовании применялась экспериментальная ВЧИ-плазменная установка, описанная в источнике [2].

В ранее проведенных исследованиях в качестве гидрофобизатора на стеклянных подложках использовались продукты плазмо-термического распада пропан-бутана [3]. В работах, посвященных созданию супергидрофобных текстур методом лазерной литографии [4] в качестве наименее токсичного, модельного гидрофобизатора предлагается применение стеариновой кислоты (как функционального аналога фторорганических гидрофобизаторов).

Проверена потенциальная возможность нанесения стеариновой кислоты плазмо-термическим методом, аналогично нанесению коллоидного диоксида кремния [5].

На первом этапе исследований в качестве подложки использовались гладкие пластины стекла. Использована гранулированная стеариновая кислота производства ООО «ВитаХим», г. Казань. Порошок инжектировался в разряд с потоком газа и наносился на подложку, размещенную над срезом плазмотрона. Предварительно подложка

обезжиривалась этанолом, затем прогревалась над плазменной струей ВЧИ-разряда в течении 120сек при величине силы тока на аноде генераторной лампы 1а = 1,5А. Режимы нанесения стеариновой кислоты: плазмообразующий газ - аргон(Аг); 1а = 1,5А; расход газа (Аг) = 0,06г/с; давление в рабочей камере = 50Па; высота установки образца над срезом плазматрона 30мм.

Равномерность и характер нанесения гидрофобизатора оценивались методом

конфокальной лазерной сканирующей микроскопии (КЛСМ) (рис. 1).

Рис. 1 - КЛСМ-изображение покрытия из стеариновой кислоты на поверхности гладкого стекла

Результаты микроскопии демонстрируют рельефное покрытие из микрокапель стеариновой кислоты. Рельеф многомодальный,

идентифицируются, как минимум, два модуля с размерами 3-20 мкм и 0,5-1 мкм. Механизм формирования покрытия может быть обусловлен либо нанесением капельной фракции расплава стеариновой кислоты (Тш. = 69,6 0С), либо реконденсацией стеариновой кислоты на подложке

(Гшп. = 376,1 С). Температура плазмы в установке 50-500 0С в зависимости от режима.

На следующем этапе исследования необходимо нанести гидрофобизатор на полимодально-текстурированную подложку, таким образом, чтобы гидрофобизатор преимущественно локализовался на вершинах текстур. На втором этапе исследований в качестве подложки использовались

текстурированные стекла. При подготовке к опыту подложка, предварительно, обезжиривалась этанолом, затем прогревалась в ВЧИ разряде120сек при 1а=1,5А. Режимы нанесения стеариновой кислоты на микрорельфное и нанорельефное стекло: плазмообразующий газ - аргон (Аг); 1а= 1,5А; расход газа (Аг) = 0,06г/с; давление в рабочей камере = 50Па; высота установки образца 30мм.

Равномерность и характер нанесения гидрофобизатора оценивались методом КЛСМ (рис 2,3).

Величины краевого угла смачивания на образцах до и после нанесения гидрофобизатора определялись методом лежащей капли [6], результаты приведены на рисунке 4.

Рис. 2 - Поверхность микротекстурированного стекла из SiO2 с нанесенным гидрофобизатором

Рис. 3 - Поверхность стекла покрытого полимодальным микро- и нанорельефом из 8Ю2 с нанесенным гидрофобизатором

Микроскопия гидрофобного покрытия на микротекстурированной поверхности

демонстрирует неравномерность его осаждения. В низких областях рельефа наблюдаются зоны сплошного покрытия, предположительно, из расплава гидрофобизатора.

На поверхности и в области выступов присутствует микрокапельная фракция

гидрофобизатора с размерами 0,5-1 мкм.

Рис. 4 - Величины краевого угла смачивания на многомодальном рельефе с гидрофобизирующим покрытием на поверхности

Анализ результатов исследования рельефа образцов текстурированного материала с нанесённым гидрофобизатором после ВЧИ-плазменного воздействия показал увеличение гидрофобности поверхности. Гидрофобность текстурированного стекла, в отличие от гладкого стекла и стекла с нанесённым гидрофобизатором, при нанесении стеариновой кислоты, повышается примерно в 2,5 раза. Таким образом, в качестве наименее токсичного модельного гидрофобизатора возможно применение ВЧИ плазменного нанесения стеариновой кислоты с целью повышения атмосферо-, влагостойкости, самоочищающейся поверхности на минеральных стеклах.

Литература

1. Петровнина М.С. Изучение влияния способа получения золей нанодисперсного оксида кремния и нанокомпозитов на его основе на свойства оптико-функциональных покрытий / М.С. Петровнина, П.В. Гришин, В.Е. Катнов, С.Н. Степин // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - № 6. - С. 67-69.

2. Абдуллин И.Ш., Высокочастотная плазменно-струйная обработка материалов при пониженных давлениях. Теория и практика применения / И.Ш. Абдуллин, В.С. Желтухин, Н.Ф. Кашапов. - Казань: Изд-во Казан. гос. ун-та, 2000. - 348 с.

3. Трофимов, А.В. Формирование функционального микрорельефа на поверхности поликристаллических

материалов в условиях НТП / А.В. Трофимов, Э.Ф. Вознесенский, И.Ш. Абдуллин, А.О. Фадеев, М. Алкин // Вестник казанского технологического университета.-2015. - №12. - С98-101.

4. БойновичЛ.Б.,Гидрофобные материалы и покрытия: принципы создания, свойства и применение / Л.Б.Бойнович, А.М. Емельяненко // Успехи химии, 77, 619 (2008).

5. Трофимов А.В. Создание микрорельефа на поверхности стекла путем нанесения и закрепления микрочастиц

© А. В. Трофимов, аспирант кафедры плазмохимических и m_storm.zip@mail.ru

аэросила в условиях ВЧИ-разряда пониженного давления / А.В. Трофимов, Э.Ф. Вознесенский, В.Е. Горелышева, И.Ш. Абдуллин // Вестник ехнологического университета.- 2016. - №5. - С61-64.

6. БойновичЛ.Б.Супергидрофобные покрытия - новый класс полифункциональных / Л.Б. Бойнович // Вестник российской академии наук - 2013 - № 1 - том 83. -С.10-22

нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ,

© A. V. Trofimov, post-graduate student of «Plasma-Chemical and Nanotechnology of High-Molecular Materials» Department, Kazan National Research Technological University, m_storm.zip@mail.ru.