New processes and critical parameters for the preparation of superhydrophobic polymers surfaces

Abstract

Lotus bitkisinin yapraklarına benzeyen süperhidrofobik polimer yüzeyleri geliştirilmiş ve karakterize edilmiştir. Hidrofobik çok kısımlı (segmented) silikon-üre kopolimerleri (TPSC), hidrofobik ile hidrofilik arası özellik gösteren polistiren (PS) ve hidrofilik poli(metil metakrilat) (PMMA) polimerleri hidrofobik fumed silika partiküllerinin eklenmesi yoluyla modifiye edilmiştir. Uygulanmış olan dört farklı numune hazırlama metodu aşağıdaki gibidir: (i) uygun ortam içerisinde dağıtılmış fumed silika partiküllerinin tabaka tabaka döndürmeli kaplama yolula polimer yüzeylere uygulanması, (ii) polimer/silika karışımının döndürmeli kaplama yöntemi ile cam tabakalara uygulanması, (iii) püskürtme kaplama yöntemi ile polimer/silika karışımının cam tabakalara uygulanması ve (iv) polimer/silika karışımının rakle bıçağı yardımı ile cam tabakalara doğrudan uygulanması. Kaplama metodunun, polimer cinsinin, karışımdaki polimer/silika oranının ve uygulanan katman sayısının örnek yüzeylerinin fiziksel özelliklerine ve ıslanma davranışlarına etkisi belirlenmiştir. Elde edilen yüzeyler tarayıcı elektron mikroskobu (SEM), beyaz ışık interferometresi (WLI), atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ve durağan, ilerleyen ve gerileyen su temas açısı ölçümleri ile karakterize edilmiştir. Her bir metot ile süperhidrofobik yüzeylerin elde edilebildiği kanıtlanmıştır. Elde edilen yüzeyler 150°' nin üstünde durağan su temas açılarına ve oldukça düşük su temas açısı histerez değerlerine sahiptir ve süperhidrofobik özellik sergilemektedir. Süperhidrofobik bir numune elde etmek için aşağıdaki parametrelerin her birini yerine getirmenin mecburiyeti kanıtlanmıştır. Bu parametreler, (i) iki ölçekli, mikro-nano pürüzlü yapı, (ii) yüzeyin silika partikülleri aralarındaki mesafe 25 mikrometre ya da daha az olacak şekilde sık bir biçimde kaplanmasi, (iii) yüksek artitmetik ortalama pürüzlülük (Ra) ve (iv) yüksek pürüzlülük (r) değerleridir.

Superhydrophobic polymer surfaces were developed to mimic the Lotus plant leaves and were characterized. Three different thermoplastic polymers, a hydrophobic segmented silicone-urea copolymer (TPSC), polystyrene (PS), which is on the borderline between hydrophobic and hydrophilic, and hydrophilic poly(methyl methacrylate) (PMMA) were modified by the incorporation of hydrophobic fumed silica nanoparticles. Room temperature vulcanized (RTV) silicone rubber was the thermoset chosen for the preparation of superhydrophobic samples. Four different sample preparation methods employed were: (i) layer-by layer spin-coating of hydrophobic fumed silica dispersed in an organic solvent onto polymer films, (ii) spincoating of silica-polymer mixture onto glass substrates, (iii) spray coating of silica-polymer mixture by an air-brush onto glass substrates and (iv) direct coating of silica-polymer mixture by a doctor blade onto a glass substrate. Influence of the coating method, type of the polymer, composition of the polymer/silica mixture and the number of layers applied on the topography and wetting behavior of the surfaces were determined. Surfaces obtained were characterized by scanning electron microscopy (SEM), white light interferometry (WLI), atomic force microscpy (AFM) and static, advancing and receding water contact angle measurements. It was demonstrated that superhydrophobic surfaces could be obtained by all methods. Surfaces obtained displayed superhydrophobic behavior with static and advancing water contact angles well above 150 degrees and fairly low contact angle hysteresis values. It was found out that all of the following parameters should be fullfilled for the production of superhydrophobic surfaces: (i) two scaled micro-nano roughness pattern on sample surface (ii) dense surface coverage by silica particles such that the average distance between protrusions is around 25 µm or less, (iii) high artihmetic average roughness (Ra) and (iv) high roughness factor (r) values.