ASPECTS OF WETTING OF HYDROPHOBIZED SURFACES TEXTURED BY A FEMTOSECOND LASER
ОСОБЛИВОСТІ ЗМОЧУВАННЯ ГІДРОФОБІЗОВАНИХ ПОВЕРХОНЬ ТЕКСТУРОВАНИХ ФЕМТОСЕКУНДНИМ ЛАЗЕРОМ
Сторінки: 52-55. Номер: №5, 2022 (313) 
DOI: https://www.doi.org/10.31891/2307-5732-2022-313-5-52-55
Автори: MYRONYUK Oleksiy
National Technical University of Ukraine ‘‘Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”
ORCID ID: 0000-0003-0499-9491
e-mail: o.myronyuk@kpi.ua
BAKLAN Denys
National Technical University of Ukraine ‘‘Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”
ORCID ID: 0000-0002-6608-0117
e-mail: d.baklan@kpi.ua
GLUKHOVSKY Vladislav
National Technical University of Ukraine ‘‘Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”
ORCID ID: 0000-0003-3917-174X
e-mail: svscomp@ukr.net
МИРОНЮК Олексій, БАКЛАН Денис, ГЛУХОВСЬКИЙ Владислав
Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»
Анотація мовою оригіналу
Extractive methods of obtaining textured surfaces to ensure superhydrophobic properties must have chemical treatment. This work is aimed at determining the influence of the chemical class of modifiers (silanes, perfluorosilanes, unsaturated long-chain carboxylic acids and low molecular weight polyethylene wax) and the level of micro- and nanotexture organization on the characteristics of surface wetting. The work involved texturing of anodized aluminum with a femtosecond laser to create structures. As a result, two types of textured surfaces were obtained: with a regular microtexture in the form of columns with a square section, and a disordered fractal nanotexture with a hierarchical structure. Chemical treatment of the obtained surfaces was carried out and their effectiveness was evaluated. The study of wetting properties of surfaces was carried out by the Zisman method both with individual solvents and with the use of mixtures of solvents. As a result of the work, it is shown that the choice of the modifier of aluminum surfaces textured by a femtosecond laser plays a decisive role in determining the wetting properties, namely the values of the water wetting angle and surface tension, at which the loss of stability of the Cassie state is observed. It is shown that the influence of the chemical composition of the modifier is more significant than the dimension of the texture on the surface. In particular, it is shown that in the case of using silanes and fluorosilanes, it is possible to achieve a water contact angle of 155-160° on nanotextures, while the loss of the Cassie state begins below 46-49 mN/m. When using hydrocarbon modifiers, it is possible to achieve the same high contact angles with water – 154° for oleic acid, but the stability of such surfaces is much lower – 55-65 mN/m. The difference in Cassie state stability between micro- and nanostructures was found to be within the measurement error.
Keywords: hydrophobicity, laser texturing, nanotexture, fluorosilane, surface modification.
Розширена анотація мовою
Дана робота спрямована на визначення впливу хімічного класу модифікаторів та рівня організації мікро- та нанотекстури на особливості змочування поверхонь. У роботі було одержано два типи текстурованих поверхонь шляхом обробки анодованого алюмінію фемтосекундним лазером: з регулярною мікротекстурою у вигляді стовпчиків з квадратним перерізом, та неупорядкованою фрактальною нанотекстурою з ієрархічною структурою. Дослідження змочувальних властивостей отриманих модифікованих поверхонь було проведено методом Зісмана як окремими розчинниками, так і з використанням сумішей розчинників. У результаті роботи показано, що вибір модифікатора, а саме його хімічних склад, відіграє вирішальну роль у визначенні властивостей змочування, а саме значень кута змочування водою та поверхневого натягу, при якому спостерігається втрата стабільності стану Кассі. Зокрема, показано, що у випадку використання силанів та фторсиланів вдається досягти на нанотекстурах кута змочування водою в межах 155-160°, тоді як втрата стану Касі розпочинається нижче 46-49 мН/м. При використанні вуглеводневих модифікаторів можливе досягнення таких же високих кутів змочування водою – 154° у олеїнової кислоти, але стабільність таких поверхонь значно нижча – 55-65 мН/м. Виявлено, що відмінність у стабільності стану Кассі між мікро- та наноструктурами знаходиться в межах похибки вимірювання.
Ключові слова: гідрофобність, лазерне текстурування, нанотекстура, фторсилани, модифікація поверхні.
References
- Coblas D. G., Fatu A., Maoui A., Hajjam M. Manufacturing textured surfaces: State of art and recent developments. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology. Vol. 229, № 1. P. 3–29. https://doi.org/10.1177/1350650114542242
- Manoharan K., Bhattacharya S. Superhydrophobic Surfaces Review: Functional application, fabrication techniques and limitations. Journal of Micromanufacturing. 2019. Vol. 2, № 1. Р. 59–78. https://doi.org/10.1177/2516598419836345
- Carrascosa L. A. M., Zarzuela R., Botana-Galvín M., Botana F. J., Mosquera M. J. Achieving superhydrophobic surfaces with tunable roughness on building materials via nanosecond laser texturing of silane/siloxane coatings. Journal of Building Engineering. 2022. Vol. 58. P. 104979. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2022.104979
- Liu Y., Yuan G., Guo C., Ngo C. V., Li W. Femtosecond laser fabrication and chemical coating of anti-corrosion ethylene-glycol repellent aluminum surfaces. Materials Letters. 2022. Vol. 323. 132562. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.132562
- Chen C., Huang Z., Jiao Y., Shi L. A., Zhang Y., Li J., Li C., Lv X., Wu S., Hu Y., Zhu W., Wu D., Chu J., Jiang L. in situ reversible control between sliding and pinning for diverse liquids under ultra-low voltage. ACS Nano. 2019. Vol. 13, № 5. Р. 5742–5752. https://doi.org/10.1021/acsnano.9b01180
- Myronyuk O., Baklan D., Novoseltsev A. Evaluation of the surface energy of solids using two-component mixtures of test liquids. Herald of Khmelnytskyi National University. 2021. Vol. 297, № 3. Р. 81–86. https://doi.org/10.31891/2307-5732-2021-297-3-81-86
- Ebnesajjad S. Surface treatment and bonding of Ceramics. Surface Treatment of Materials for Adhesive Bonding. 2014. Р. 283–299. https://doi.org/10.1016/b978-0-323-26435-8.00011-3
- Zeng J. Polymer Surface Modification: Relevance to Adhesion. Utrecht: VSP, 2004. 177 p.
- Mądry K., Nowicki W. Wetting between Cassie–Baxter and wenzel regimes: A cellular model approach. The European Physical Journal E 2021. Vol. 44, № 11. https://doi.org/10.1140/epje/s10189-021-00140-8
