Generation of superhydrophobic surfaces by electrospinning process

Abstract

Su damlasının, üzerinde 150°'den fazla açı yaptığı yüzeyler süperhidrofobik yüzeyler olarak adlandırılırlar. Bir yüzeyin süperhidrofobik özellik gösterebilmesi için hem üzerinde mikrometre mertebesinde pürüzlülük, hem de doğal olarak hidrofobik olan malzemeden imal edilmiş olması gerekir. Bu ileri seviyedeki su iticilik özelliği, sanayide ve günlük hayatta bir çok uygulama bulmaktadır. Süperhidrofobik yüzeylerin mevcut üretim işlemleri ya çok uzun süren, ya da pahalı işlemlerdir. Düşük maliyetli, geniş uygulama alam olan ve elverişli bir üretim işleminin geliştirilmesi gereklidir. Bu çalışmada, süperhidrofobik yüzeyler, polimer çözeltilerinden elektrik alan altmda nanometre çaplı fiber üretme yöntemi olan, elektrodokuma ile üretilmiştir. Çok kararlı süperhidrofobik yüzeylerin, kontrol edilebilir temas açılı ve düşük su kayma açılı halde, elektrodokuma yöntemi ile üretimi bulunmuştur. Poli-(akrilonitril-ko-dimetil meta-izopropenil benzil izosiyanat) kopolimeri sentezlenmiş, ve hidroksil-sonlu, florlu bir oligomer ilavesinin ardından elektrodokuması gerçekleştirilmiştir. Vizkositenin, flor miktarının ve kopolimer moleküler ağırlığının, elektrodokunmuş filmlerin yüzey yapışma ve su ile yaptığı temas açısma etkisi araştırılmıştır. Çalışma esnasında taramalı elektron mikroskobu, goniometre, atomik güç mikroskobu ve nükleer manyetik rezonans cihazları kullanılmıştır. Deneyler göstermiştir ki, elektrodokunmuş yüzeylere, kasti olarak boncukların eklenmesi had safhada su iticiliğe sebep olmaktadır. Çözeltinin vizkositesi azaldıkça, polimerik boncukların yoğunluğu ve dolayısıyla filmin pürüzlülüğü artmaktadır. Bu da su ile temas açısının 150°'nin üzerine çıkmasını sağlamaktadır. Kopolimer moleküler ağırlığının yapıya etkisi çalışmasında ise, düşük moleküler ağırlıklı kopolimerin elektrodokunması tamamen boncuktan oluşan bir yapı vermiştir. Bu yüzey üzerinde 166.7±2.2° su temas açısı ve 4.3±0.8° su kayma açısı ölçülmüştür. Bu çalışmalara ek olarak, filmlerin süperhidrofobik kararlılıklarının test edilmesi amacıyla, aynı tip iki film arasına bir su damlası yerleştirilerek preslenmiştir. Bu çalışma göstermiştir ki, elektrodokunmuş yüzeylerimiz mevcut literatürdeki en kararlı süperhidrofobik yüzeylerdir.

A surface having water contact angle (WCA) higher than 150° is named as superhydrophobic surface. To exhibit superhydrophobic feature, a surface should have micron scale roughness on an inherently hydrophobic material. This extreme water- repellency feature has found many applications both in industry and in daily-life. Current production processes of superhydrophobic surfaces are either time consuming or expensive. A cost-effective, widely applicable and practical way of production is necessary. In this study, superhydrophobic surfaces were generated by utilization of electrospinning process, which is a continuous nanofiber production process from a polymeric solution under an electrical field. By this method, a straightforward and inexpensive way to fabricate very stable superhydrophobic surfaces with an advantage of tunable WCA and low sliding angle were discovered. Poly-(acrylonitrile-co-dimethyl meta-isopropenyl benzyl isocyanate) polymer was synthesized, and electrospun after the addition of a fiuorinated hydroxyl-ended oligomer. The effects of viscosity of electrospinning solution, fluorine content and molecular weight of the copolymer to surface morphology and WCA of the electrospun film were investigated by using scanning electron microscope, goniometer, atomic force microscope and nuclear magnetic resonance instruments. Experiments proved that deliberate incorporation of the beads into the film resulted in extreme water-repellency. It was found that, as the viscosity of the solution was decreased, the density of the polymeric beads, so the film roughness in three dimensions, was increased to more than 150° WCA values for the electrospun films. In the molecular weight of copolymer study, elecfrospinning of lower molecular weight copolymer was generated solely bead morphology, which resulted the highest WCA of 166.7±2.2° with the lowest water sliding angle of 4.3±0.8°. In addition to these studies, the films were subjected to droplet pressing between identical superhydrophobic surfaces to determine the stability of their superhydrophobicity. And this study showed that our electrospun films have the most stable superhydrophobic state in the literature.