Создание водоотталкивающих поверхностей в сверхкритической среде
С незапамятных времён человек носил одежду. Она должна была предохранять его от капризов погоды, но с самого начала она делала это не очень хорошо. Ткань промокала под дождём. Нельзя сказать, что человек мирился с этим обстоятельством: способы создать защищённую от влаги поверхность существовали уже в древности. Один из распространённых в средние века методов – это вощение. Когда одежду натирали воском, она становилась водонепроницаемой, так как воск не впитывает воду. Нередко воск использовали для натирания тела – в тех же защитных целях. Способ сравнительно хороший, но у него есть недостаток: поверхность, натёртая воском, перестаёт дышать. Воск закрывает поры материала.
В двадцатом веке эта проблема была устранена. Появились водоотталкивающие материалы, которые способны дышать. Сейчас такие ткани выпускаются разными производителями, иногда достаточно известными. Такая ткань имеет сверху водоотталкивающий слой, а под ним находится водонепроницаемая плёнка. Казалось бы, это излишество, ведь зачем нужен верхний водоотталкивающий слой, если есть плёнка? На самом деле это сделано как раз для того, чтобы ткань могла дышать, то есть пропускать сквозь себя пар.
В наше время водоотталкивающие свойства тканям придают с помощью ванны, наполненной водной дисперсией водоотталкивающего соединения. Это так называемый «мокрый» метод нанесения вещества. Через эту ванну прогоняют рулон необходимой ткани. Но у такого способа есть свои недостатки. Например, после такой обработки ткань необходимо просушивать, а это довольно долгий процесс, к тому же на него уходит слишком много дорогостоящей энергии. Кроме того, при таком нанесении слой полимера получается неоднородным; это происходит из-за большого поверхностного натяжения воды. Когда вещество на ткани высыхает, оно деформирует её, из-за чего изделие становится недолговечным. Поэтому указанный метод, каким бы распространённым он ни был, нуждается в замене на альтернативные.
Например, можно полностью отказаться от воды в качестве растворителя. Её можно заменить на углекислый газ. Газ необходимо сжать до некоторого критического уровня при воздействии высокой температуры. Когда давление достигает определённой точки, сжатый газ приобретает плотность, сопоставимую с жидкостью, но движение молекул в нём продолжает носить «газовый» характер. В такой среде высокие значения приобретает диффузия. Подобную среду принято называть сверхкритической. Углекислый газ в этом состоянии является хорошим растворителем для различных веществ, в том числе для гидрофобных полимеров. На самом деле в такое состояние можно перевести и воду, но там давление и температура понадобятся существенно выше. Углекислый газ требует для этого всего 30 градусов и 70 атмосфер.
Изменяя давление газа, можно управлять его растворяющими свойствами. Так, пока он находится под высоким давлением, он является хорошим растворителем; как только давление сбрасывают, он становится плохим растворителем. Этот процесс позволяет эффективно наносить водоотталкивающие поверхности на ткань.
Сверхкритический углекислый газ, используемый как растворитель, позволяет наносить ультратонкие плёнки гидрофобного материала на любую ткань. При этом покрытие получается однородным, поскольку отсутствует капиллярный эффект и поверхностное натяжение жидкости – ведь жидкость не используется. Реализовать этот процесс можно с помощью реактора, в который помещается рулон ткани. Туда же помещается навеска из полимера и дополнительных веществ – модификаторов. Затем реактор закрывается и в нём создаются высокие давление и температура. Углекислый газ растворяет полимер и модификаторы, которые за счёт этого проникают в ткань. После этого давление уменьшается, растворимость полимера и модификаторов в углекислом газе снижается, и вещества осаждаются на ткани, причём послойно.
Следует отдельно поговорить о выборе полимера для этого процесса. Он должен, с одной стороны, хорошо растворяться в углекислом газе, при том, что это неполярный растворитель, растворяющие способности которого не слишком эффективны. С другой стороны, полимер должен иметь высокую адгезию по отношению к ткани, то есть он должен хорошо «приклеиваться» к её волокнам. и конечно же, этот полимер должен обладать необходимыми водоотталкивающими свойствами. Выбрать такое соединение оказалось не столь простым делом. Исследователи изучали свойства различных полимеров и экспериментировали, пока не добились оптимальных результатов. Сначала пробовались полимеры, содержащие фтор, они во многом похожи на тефлон. Тефлон как таковой не растворяется в сверхкритическом углекислом газе, ведь он имеет кристаллическую природу, а почти неполярный СО2 не способен разорвать связи между молекулами данного полимера.
Вскоре исследователи поняли, что готовый полимер, обладающий всеми нужными показателями, найти невозможно. Пришлось им его синтезировать. Основой послужили полимеры полиакриловой кислоты, дополненные фторированными алкильными радикалами. Получившееся вещество хорошо растворяется в сверхкритическом углекислом газе, однако плохо «приклеивается» к ткани, поэтому его пришлось дорабатывать. Были добавлены гидрофильные группы, которые увеличивали адгезию. Здесь важно было найти оптимальный баланс между гидрофильными и гидрофобными компонентами, чтобы получить устойчивую смесь, которая не растворяется и может удерживаться на ткани. Такая смесь в итоге была получена.
Фторированные акриловые полимеры оказались наилучшими веществами, способными растворяться в сверхкритическом углекислом газе. Существуют и другие соединения с данным свойством, но оно у них выражено заметно хуже. Сравнительно высокие результаты показывают, например, полидиметилсилоксаны.
Помимо гидрофильных групп, в состав покрытия можно добавлять дополнительные компоненты, например – сшивающие агенты. Они помогают укрепить связи молекул покрытия как между собой, так и между частицами полимера и гидрофильной группы на поверхности полотна. В качестве сшивающих агентов оптимальнее всего использовать диизоцианаты, добавляемые вместе с гидроксильными группами. Благодаря этому покрытие дополнительно приобретает высокую прочность. Это необходимо в потребительских целях: ведь ткань должна быть устойчива к неоднократным стиркам, в том числе машинным. При испытаниях полученного покрытия ткань стирали сорок раз подряд.
Водоотталкивающие свойства – это, конечно, хорошо, однако можно производить покрытия, обладающие и другими свойствами. Например, можно «научить» ткань выдерживать огонь. Для этой цели пригодятся полифосфазены, которые к тому же хорошо растворяются в углекислом газе. О свойствах этой группы веществ было известно давно, но почему-то никто не догадывался эти свойства использовать. Полифосфазены можно модифицировать так, чтобы они приобретали дополнительные водо- и маслоотталкивающие свойства, оставаясь устойчивыми к воздействию огня.
Получается, что совершенно реально создать целый суперскафандр, пригодный для работы в различных экстремальных условиях. Чем тут можно дополнить? Наверное, стоит оснащать этим покрытием экзоскелеты. Обладатель такого костюма не только перестанет бояться воды и огня, но и сможет поднимать и нести на своих руках многотонные объекты. Это позволит снизить тяжесть труда.
Высокая гидрофобность – явление, которое достаточно широко распространено в природе. Этим свойством обладают листья многих растений, крылья насекомых и другие природные объекты. Гидрофобные вещества, которыми покрыты эти объекты, имеют неполярные молекулы, которые неспособны образовывать связи с молекулами воды. Иногда гидрофобность повышается ещё и за счёт особого строения поверхности; такую поверхность имеют листья лотоса, водосбора и некоторых других растений. Сверхгидрофобность поэтому даже была названа «эффектом лотоса».
Физические и химические основы гидрофобности используются на практике. Так, можно повысить устойчивость поверхности к смачиванию, если создать на ней микроскопические «бугорки», как на листе лотоса.
Гидрофобные материалы, конечно же, используются не только для защиты одежды и облачённого в неё человека от дождя. С их помощью, к примеру, можно очищать воду от попавшей в неё нефти. Нефть, кстати, сама является гидрофобным веществом, поэтому она растекается по поверхности воды, а не растворяется в ней.
Многие гидрофобные материалы являются липофильными, то есть смачиваются жирами и маслами; но среди них есть исключения – например, силиконы. Для защитных покрытий разрабатываются вещества, равным образом защищающие поверхность от воды и масел.
Существуют вещества, которые могут изменять свой режим взаимодействия с водой. Исследования пентоксида ванадия показали, что он может переключаться между сверхгидрофобностью и сверхгидрофильностью под действием ультрафиолетового излучения. Используя струйный принтер, можно наделить этим свойством любую поверхность, нанося на неё суспензию пентоксида ванадия. Таким образом, на свету такая поверхность будет отталкивать воду, а в темноте – смачиваться ею.
Бытовые гидрофобизаторы сегодня имеются в продаже. Ими можно покрывать различные поверхности: кузов автомобиля, стекло, мобильные телефоны и др. Такое покрытие способно защитить металлические поверхности от коррозии. Лобовое стекло автомобиля, покрытое гидрофобным составом, не закрывает обзор во время дождя – все капли стекаются по нему вниз, не оставляя разводов. Каждый вид гидрофобизаторов предназначен для определённых поверхностей, поэтому при покупке необходимо читать инструкцию.
Гидрофобное покрытие можно изготовить и своими руками, смешав парафин и уайт-спирит. Правда, свои свойства такое покрытие держит не слишком долго, поэтому его нанесение на поверхность нужно производить регулярно.