Wettability of smooth and rough surfaces of perfluoroacrylate copolymers

Abstract

Bu çalışmada öncelikle gösterilmiştir ki, perfloroakrilatların gelişi güzel tekrarlanankopolimerleri elektrodokuma ile ultrahidrofobik yüzey üretiminde etkili olarakkullanılabilecek yeterlikte hidrofobik karaktere sahip olabilirler. Florlu grupların en dıştakiyüzey tabakasında katı-gaz arafazına yönlenmesi nedeniyle, polimer zincirinde çok azmiktarda perfloroakrilat bulunması dahi tetrafloroetilenden daha düşük serbest yüzeyenerjisine sahip, oldukça hidrofobik kopolimerler oluşmasıyla sonuçlanmıştır. Kopolimerlerinyüzey enerji ölçümleri göstermiştir ki yüzeylerindeki florlu grupların daha fazla olabilmesinedeniyle amfifilik kopolimerlerin serbest yüzey enerjileri, perfloroakrilatların apolarmonomerlerle yaptıkları kopolimerlerinkinden daha düşük olabilmektedir. Ancak bu amfifilikkopolimerlerin ultrahidrofobik yüzeylerinde, micro çıkıntıların tepe yüzeyinde su ile uzunsüreli temas sonucunda, polar grupların katı-sıvı arafazına tekrar yönlenmesi ile yüzeylerinminimum su kayma açıları oldukça artmış, ancak su ile yüksek temas açılarının günlercekorunduğu gözlemlenmiştir. İlki, üç fazlı temas çizgisi ile çıkıntı tepelerinin arasındakigüçlenmiş çekici bağların direk sonucu olarak damlaların geri çekilememesi; ikincisi isesuyun hidrofobik olan çukur duvarları boyunca içerilere kadar girememesi sonucu komposityüzey yapısının korunmuş olmasına bağlanmıştır. Özet olarak, ultrahidrofobik özellik yokolurken süperhidrofobik karakter korunmuştur. Bu sonuç bir kez daha göstermiştir ki, yüksektemas açıları her zaman su iticilik anlamına gelmemektedir.Sitren-perfloroakrilat kopolimer, su temasına karşı dayanıklı olması nedeniyleultrahidrofobik özellikleri daha da artırma gibi geliştirme çalışmaları yapmak için seçildi.Deneyler göstermiştir ki, düşük konsantrasyonlu solusyonlarla electrodokumada uygulananvoltajın su iticiliğe etkisi dikkate değerdir. Uygulanan voltaj yüksek değerlere çıkarıldığızaman mikro seviyedeki pürüzlerin üzerinde heryerin nanometrik topçuklarla kaplı olduğu birtopografya elde edildi. Bu yüzeyin, temas açısı histeresisi göstermediği, ve ıslanmazlığınınkusursuz olduğu görüldü, ve de asılı bir su damlası yüzeye dokundurulup çekilirken herhangibir yapışma göstermediği gözlemlendi.

In this study, it was primarily shown that random copolymers of perfluoroacrylates canhave sufficient hydrophobicity to be effectively employed for the production ofultrahydrophobic surfaces via electrospinning. Presence of small molar amounts ofperfluoroacrylate in the copolymer chain resulted in the formation of rather hydrophobiccopolymers surfaces that had lower surface free energy than poly(tetrafluoroethylene) due tothe orientation of fluorinated groups to the solid-vapor interface on the outermost surfacelayer. The surface energy measurements of the copolymers indicated that amphiphiliccopolymers may have lower surface free energy than the copolymers of perfluoroacrylateswith non-polar monomers due to the higher excess of the fluorinated groups on the surface.However, it was also shown for the ultrahydrophobic surfaces of amphiphilic copolymers thatreorientation of polar groups to the solid-liquid interface due to water contact on theprotrusion tops, where the long interval solid-liquid contact took place, can increase thethreshold water sliding angle on the surface remarkably while the high advancing contactangles were maintained for long days. The former was detected to be a direct result of theenhanced adhesive bonds between the three phase contact line and the tops of the solidprotrusions, which prevented the receding of the drops; while the latter was attributed to thepreserved composite surface structure by the inability of water in penetrating through thehydrophobic walls of the cavities. Consequently, ultrahydrophobicity was lost whilesuperhydrophobic character was preserved. This result one more time showed that highadvancing contact angle values do not indicate water repellence all the time.Due to the stability of the styrene-perfluoroacrylate copolymer surface against waterexposure, this polymer was chosen to study for further improvements such as enhancing theultrahydrophobic character. Experiments showed that the effect of applied voltage inelectrospinning on the water repellence of surfaces electrospun at low solution concentrationsis remarkable. By increasing the applied voltage to high values, a surface on which themicrotopology was composed of nanometric beads covering the micron level roughnesseverywhere was produced. The resultant surface showed no contact angle hysteresis and wasperfectly non-wetting, and exhibited no adhesion with water while a pendant drop was madeto touch and retreat from the surface.