Анализ краевого угла при разработке непромокаемой бумаги

Бумага находит широкое применение в нашей повседневной жизни, однако при контакте с водой бумага легко разрушается благодаря гидрофильным гидроксильным группам её главного компонента целлюлозы. Для гидрофобизации бумаги и повышения её стабильности к воде и температуре применяются в основном два метода:

  • Добавление в материал неорганических наночастиц, обработанных гидрофобизирующими агентами;
  • Микро- и наноразмерные иерархические структуры, покрытые материалами с низкой свободной поверхностной энергией.

Негативным моментом этих методов является сравнительно высокая токсичность этих модифицирующих составов (в большинстве своём фторсодержащих) и слабая адгезия, что также усложняет практическое применение этих методов. Авторы Jiao et al. предлагают инновационную стратегию решения вышеуказанных проблем путём создания иерархических структур и добавлением адгезионных материалов.

В своём проекте авторы разработали мультифункциональную супергидрофобную бумагу методом двухшагового напыления. Для напыления были выбраны микро- и наночастицы SiO2, так как они имеют низкую себестоимость, высокую температурную стабильность и оптическую прозрачность. Микро- и наночастицы SiO2 были модифицированы гидрофобными метиловыми группами на поверхности путём смешивания микрочастиц SiO2 с безфторовым гексаметилдисилазаном (ГМДС). В качестве адгезивного компонента добавляли эпоксидную смолу (ЭС). После напыления суспензии модифицированной микро- и наночастицами на лист бумаги формата А4 авторы получали супергидрофобную бумагу (СГБ) с иерархической структурой (Рис. 1B).

Для визуализации различий в смачиваемости была создана бумага с микроструктурой (Рис. 1A) и наноструктурой (Рис. 1C). Как и ожидалось, образцы бумаги с иерархическими структурами оказались более гидрофобными, чем образцы с микро- и наноструктурами. Более того, было установлено влияние продолжительности напыления суспензии, количества наночастиц SiO2 и количества эпоксидной смолы на значение статического краевого угла (КУС) и краевого угла скатывания (КУСск) воды с супергидрофобной бумаги (Рис. 2).

Исходя из графиков видно, что при добавлении 1.0 гр наночастиц SiO2 объём удерживаемого между иерархическими структурами воздуха достигает максимума (91.3%), что ведёт к максимальной гидрофобности образца. Содержание эпоксидной смолы в суспензии не оказывает существенного влияния на значения КУС и КУСск.

Авторами были изучены механическая абразивная прочность, химическая устойчивость, устойчивость к кипящей воде и устойчивость к коррозии путём измерения КУС до и после проведения испытаний (Рис. 3). Предполагалось, что супергидрофобная бумага выдержит до 20 циклов испытаний на истирание и до 200 циклов испытаний на перегиб с незначительным понижением значений КУС. Образцы супергидрофобной бумаги отлично выдержали испытания в полном спектре pH и в кипящей воде. Дополнительный тест показал, что при написании текста под водой на СГБ гидрофобными остались как участки с текстом, так и без него.

Таким образом, авторы статьи улучшили характеристики стандартной бумаги для печати путём создания на её поверхности иерархической структуры. В итоге была получена мультифункциональная супергидрофобная бумага с водоотталкивающей способностью, термостойкостью, а также стойкостью по отношению к химическим и механическим воздействиям. Данная работа представляет инновационный метод производства водостойкой бумаги с прочным покрытием, не содержащим фтора, и открывает большие перспективы для производства мультифункциональной бумаги для различных областей применения.

Источник: Soctrade