Dual scale roughness driven perfectly hydrophobic surfaces prepared by electrospraying a polymer in good solvent-poor solvent systems

Abstract

Bu çalışmada, mükemmel hidrofobikliğe (ilerleyen ve gerileyen su temas açılarının her ikisi de 180$^{/circ}$) sahip yüzeylerin elektrospreyleme yoluyla üretilmesine dair kolay bir yöntem takdim edilmiştir. Bir stiren ve perfloroalkil akrilat kopolimerinin iyi çözücü içerisinde elektrospreylenmesiyle, mikrometre seviyesinde büyüklüğe sahip polimer boncukların oluşturduğu yüzeyler elde edilmiş, yüzeylerin oldukça küçük eşik su kayma açılarına sahip olduğu belirlenmiştir. Çözeltilere zayıf çözücü eklenmesi, polimer boncuklar üzerinde nanometre seviyesinde pürüz oluşumu ile sonuçlanmıştır. Ancak, üretilen çeşitli yüzeylerden, baskın olarak nanometre seviyesinde pürüzlülüğe sahip olanların dahi, çok küçük olduğu çıkarımı yapılsa da, temas açısı histeresisine sahip oldukları gözlemlenmiştir. Diğer yandan, elektospreyleme işlem parametrelerinin ayarlanmasıyla, `yüzeyleri nanoskopik pürüz ihtiva eden mikron boncuk tepecikleri' şeklinde elde edilen yüzeylerde 0$^{/circ}$ eşik kayma açısı ölçülmüştür ki bu sonuç yüzeylerde histeresis değerinin de sıfır olduğunu ima etmektedir. Su damlaları ve yüzeyler arasında gerçekleştirilen temas ettirme-ayırma işlemi videoları, ve damla-yüzey arası yapışma kuvveti ölçümleri, bu çifte seviye pürüze sahip yüzeylerin aslında mükemmel hidrofobiklikte olduklarını göstermiştir. Bu yöntemin, aynı polimer ile diğer iyi solvent-zayıf solvent sistemlerine uygulanması yine mükemmel hidrofobiklik ile sonuçlanmıştır. Sonuçlar genel çerçevede, topografyadaki değişikliklerin yüzeylerin ıslanabilirliğine mükemmel ve aşırı hidrofobiklik (ilerleyen ve gerileyen temas açıları 180$^{/circ}$'ye yakın) gibi dar bir aralıkta nasıl etki edebildiğine dair önemli bilgiler açığa çıkarmıştır. Kopolimerin iyi, zayıf ve karışım solvent sistemlerinde elektrospreylenmesi yoluyla elde edilen yüzey topografyalarındaki farklılıkları açıklamak için, dağıtıcı parçacık dinamiği simülasyonları ve dinamik ışık saçılımı analizleri gerçekleştirilmiştir. İyi çözücüde gerçekleştirilen simülasyonlarda solusyonların tüm konsantrasyonlarda görece homojen olduğu, ancak polimerin zayıf çözücü içerisinde düşük konsantrasyonlarda dahi faz ayrımına gittiği görülmüştür. Işık saçılımı deneyleri, gerçek zincirlerin ilgili solvent sistemlerinde seyreltik rejimdeki hidrodinamikleri ile ilgili faydalı bilgiler vermiştir. Polimerin zayıf çözücü içerisinde stabil birikintiler oluşturduğuna dair bulgular elde edilmiştir. Bütün halinde sonuçlar vurgulamıştır ki düzgün yüzeyli boncukların oluşumu polimerin iyi çözücüden homojen kuruması sayesinde gerçekleşmektedir. Diğer taraftan, polimer zayıf çözücü içerisinde faz ayrımına gitmekte, düzensiz kuruma sonucu nanoskopik yapıların oluşumuna sebebiyet vermektedir.

A facile method to produce perfectly hydrophobic surfaces (advancing and receding water contact angles both 180$^{/circ}$) via electrospraying is demonstrated. When a copolymer of styrene and a perfluoroalkyl acrylate monomer was electrosprayed in good solvents, surfaces composed of micron size beads were formed and fairly low threshold sliding angles could be achieved. Addition of high boiling point poor solvents to the solutions resulted nanoscale roughness on the beads. However, even the nanoscale roughness dominated topographies achieved by this method exhibited contact angle hysteresis although deducted to be relatively small. On the other hand, when the electrospraying process parameters were set such that micron size hills of nanoscopically rough beads were formed, 0$^{/circ}$ sliding angles, implying zero contact angle hysteresis, were measured. Videos of droplets recorded and the adhesive forces measured during a contact and release experiment revealed that these dual scale rough surfaces were indeed perfectly hydrophobic. Application of the method with other binary good solvent-poor solvent systems also resulted in perfect hydrophobicity. Overall results showed how the differences in surface topology affected the wettability of surfaces within a very narrow range between perfect and extreme hydrophobicity (advancing and receding water contact angles both close to 180$^{/circ}$)./parIn order to interpret the formation of different surface topographies achieved by electrospraying the corresponding copolymer in good, poor and binary solvent systems, dissipative particle dynamics simulations and dynamic light scattering analysis were performed. Simulations of the polymer in good solvent revealed relatively homogenous solutions at all concentrations, whereas phase separation was observed in the poor solvent even at low concentrations. Light scattering experiments yielded useful information about the hydrodynamics of the real chains in the corresponding solvent systems in the dilute regime. It was found that the polymer forms stable aggregates in the poor solvent due to weak interaction with the solvent. Overall results indicated that formation of smooth bead morphologies is due to homogenous drying of the polymer from the good solvent. On the other hand, polymer aggregates lead to nanoscopic features in the regions where the solidification occurs mainly in the poor solvent environment.