Исследование взаимосвязи между углом смачивания и параметрами микропрофиля поверхности

В работе дан краткий обзор новых подходов к характеризации качества поверхностей, обладающих гидрофобными свойствами. Эти подходы основаны на математических процедурах, связанных с большим объемом вычислений, в том числе на фрактальных методах. Изучена взаимосвязь между углом смачивания гидрофобной поверхности и параметрами поверхности, такими как шероховатость и фрактальная размерность профиля. Разработана модель супергидрофобной поверхности, описаны ее параметры, такие как эффективный гидрофобный угол смачивания, доля твердой фазы поверхности в контакте с жидкостью, параметры иерархической структуры. Установлено, что использование наноструктурных колонн при формировании супергидрофобной поверхности с учетом иерархической структуры дает возможность существенно увеличить значения краевого угла смачивания. Определены зависимость краевого угла смачивания от доли контакта «жидкость-твердое» на межфазной границе, которая объясняется усложнением структуры поверхности, и взаимосвязь доли твердой фазы с фрактальной размерностью. Установлено, что при оценивании краевого угла смачивания взаимосвязь фрактальной размерности значительно выше, в сравнении с параметрами шероховатости Ra и Rz. При помощи регрессионного анализа определены коэффициенты корреляции между углом смачивания и другими параметрами гидрофобной поверхности. Полученные результаты могут быть использованы при обработке измерительной информации в соответствии с современными стандартами в области геометрических характеристик поверхностей, в том числе при разработке программного обеспечения для средств измерений параметров гидрофобных поверхностей.

1. Бойнович Л.Б., Емельяненко А.М. Гидрофобные материалы и покрытия: принципы создания, свойства и применение. Успехи химии. 2008;77(7):619–638. https://doi.org/10.1070/RC2008v077n07ABEH003775

2. Бузник В.М. Сверхгидрофобные материалы на основе фторполимеров. Авиационные материалы и технологии. 2013;(1):29–34.

3. Шварц А., Перри Дж. Поверхностноактивные вещества. Их химия и технические применения. Москва: Издательство иностранной литературы; 1953. 544 с.

4. Mandelbrot B.В. The Fractal Geometry of Nature. San Francisco: W.H. Freeman; 1982. 460 p.

5. Sethi S.K., Manik G. Recent Progress in Super Hydrophobic/Hydrophilic Self-Cleaning Surfaces for Various Industrial Applications: A Review. Polymer-Plastics Technology and Engineering. 2018;57(18):1932–1952. https://doi.org/10.1080/03602559.2018.1447128

6. Chermahini S.H., Ostad-Ali-Askari K., Eslamian S., Singh V.P. Recent Progress in Self-Cleaning Materials with Different Suitable Applications. American Journal of Engineering and Applied Sciences. 2018;11(2):560–573. https://doi.org/10.3844/ajeassp.2018.560.573

7. Lin Yu., Chen H., Wang G., Liu A. Recent Progress in Preparation and Anti-Icing Applications of Superhydrophobic Coatings. Coatings. 2018;8(6). https://doi.org/10.3390/coatings8060208

8. Гуляев И.П., Кузьмин В.И., Ковалев О.Б. Высокогидрофобные керамические покрытия, получаемые методом плазменного напыления порошковых материалов. Теплофизика и аэромеханика. 2020;27(4):615–625.

9. Lee W.X., Farid A.A., Namazi H. Investigation of Anodised Surface Complexity and Its Correlation with Surface Hydrophilicity Using Fractal Analysis. Results in Surfaces and Interfaces. 2022;6. https://doi.org/10.1016/j.rsurfi.2022.100046

10. Wu J., Jin X., Mi Sh., Tang J. An Effective Method to Compute the Box-Counting Dimension Based on the Mathematical Definition and Intervals. Results in Engineering. 2020;6. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2020.100106

11. Нажипкызы М., Мансуров З.А. Супергидрофобные материалы и покрытия: обзор. Горение и плазмохимия. 2020;18(4):163–189. https://doi.org/10.18321/cpc393

12. Yao Ch.-W., Tang S., Sebastian D., Tadmor R. Sliding of Water Droplets on Micropillar-Structured Superhydrophobic Surfaces. Applied Surface Science. 2020;504. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.144493

13. Roy T., Sabharwal T.P., Kumar M., Ranjan P., Balasubramaniam R. Mathematical Modelling of Superhydrophobic Surfaces for Determining the Correlation Between Water Contact Angle and Geometrical Parameters. Precision Engineering. 2020;61:55–64. https://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2019.10.005

14. Hubert J., Mertens J., Dufour T., et al. Synthesis and Texturization Processes of (Super)-Hydrophobic Fluorinated Surfaces by Atmospheric Plasma. Journal of Materials Research. 2015;30(21):3177–3191. https://doi.org/10.1557/jmr.2015.279

15. Dubov A.L., Teisseire J., Barthel E. Elastic Instability and Contact Angles on Hydrophobic Surfaces with Periodic Textures. Europhysics Letters. 2012;97(2). https://doi.org/10.1209/0295-5075/97/26003

16. Reyssat M., Quéré D. Contact Angle Hysteresis Generated by Strong Dilute Defects. The Journal of Physical Chemistry B. 2009;113(12):3906–3909. https://doi.org/10.1021/jp8066876

17. Wang Ch., Shao R., Wang G., Sun Sh. Hierarchical Hydrophobic Surfaces with Controlled Dual Transition Between Rose Petal Effect and Lotus Effect Via Structure Tailoring or Chemical Modification. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2021;622. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2021.126661

18. Зимон А.Д. Адгезия жидкости и смачивание. Москва: Химия; 1974. 416 с.

19. Baxter S., Cassie A.B.D. 8–The Water Repellency of Fabrics and a New Water Repellency Test. Journal of the Textile Institute Transactions. 1945;36(4):T67–T90. https://doi.org/10.1080/19447024508659707

20. Feng L., Li Sh., Li H., et al. Super-Hydrophobic Surface of Aligned Polyacrylonitrile Nanofibers. Angewandte Chemie International Edition. 2002;41(7):1221–1223. https://doi.org/10.1002/1521-3773(20020402)41:7<1221::aid-anie1221>3.0.co;2-g

21. Григорьев С.Н., Мастеренко Д.А., Скопцов Э.С. Анализ профилей шероховатости стальных поверхностей после электроэрозионной обработки. Измерительная техника. 2023;(9):38–45. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2023-9-38-45

22. Марков Б.Н., Мастеренко Д.А., Емельянов П.Н., Телешевский В.И. Алгоритмизация вычисления фрактальных параметров рельефа шероховатой поверхности по ГОСТ Р ИСО 25178-2-2014. Измерительная техника. 2020;(8):20–27. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2020-8-20-27

23. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Т. 2. Методы планирования эксперимента. Москва: Мир; 1981. 516 с.

24. Roach P., Shirtcliffe N.J., Newton M.I. Progess in Superhydrophobic Surface Development. Soft Matter. 2008;4(2):224–240. https://doi.org/10.1039/b712575p