بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله ترشوندگی سطح کامپوزیت نانوذرات دي اکسید تیتانیم در ماتریس سیلیکون رابر مطالعه میشود. بدین منظور نانوذرات دي اکسید تیتانیم در ماتریس سیلیکون رابر با نسبتهاي 500-5 ، 500-10 ، 500-20 و 500-30 میلی گرم پراکنده گردید. کامپوزیت آماده شده به روش غوطهوري روي زیر لایه لامل لایهنشانی و سپس خشک شد. نمونهها در معرض تابش اشعه فرابنفش به مدت 20 و 30 دقیقه قرار گرفتند.
اندازهگیري زاویه تماسی با قطرات میکرولیتري آب دیونیزه نشان داد با افزایش غلظت نانوذرات میزان آبگریزي سطح ابتدا افزایش و سپس کاهش مییابد و بیشترین مقدار مربوط به غلظت 500-20 است. همچنین نتایج نشان داد با تابش اشعه فرابنفش زاویه تماسی افزایش یافته و نمونهها آبگریزتر میشوند و انرژي سطح نمونه در بهترین حالت به 1/61 میلی ژول بر متر مربع کاهش مییابد.
مقدمه
سطوح با درجه ترشوندگی دلخواه از موضوعات مورد توجه پژوهشگران در سالهاي اخیر بوده است .[1] در حالت کلی سطوح به دو دسته آبدوست و آبگریز تقسیم میشوند که بیانگر میزان چسبندگی قطرات آب به سطح است
ساخت سطوح با ترشوندگی مطلوب از موضوعات مورد توجه پژوهشگران در سالهاي اخیر بوده است .[5-2] این سطوح کاربردهاي فراوانی در ساخت پوششهاي خودتمیز شونده، یخ گریز، سطوح ضدخوردگی و ضد زنگ زدگی و غیره دارند
رفتار ترشوندگی به بر همکنش مایع و زیر لایه مربوط میشود. وقتی که برهمکنش جاذبه در میان مولکول هاي مایع قوي تر از برهمکنش بین جامد و مایع باشد قطره روي سطح شکل کروي دارد و زاویه تماسی بزرگ است و در حالی که نیروي جاذبه بین مولکول هاي مایع از برهمکنش بین جامد و مایع کمتر باشد زاویه تماسی کوچک است
در حالت اول زاویه تماسی بیشتر از 90 درجه و سطح آبگریز است و در حالت دوم زاویه تماسی کمتر از 90 درجه و سطح آب دوست میباشد.
تولید سطح با درجه ترشوندگی دلخواه و قابل تنظیم بودن آن از ویژگیهاي مهم جهت کاربردهاي صنعتی محسوب میگردد
یکی از روش هاي افزایش آبدوستی ایجاد زبري در سطح است. در حالت کلی اگر سطح آبدوست باشد افزایش
زبري باعث افزایش آبدوستی و کاهش زاویه تماسی سطح شده و اگر سطح آبگریز باشد افزایش زبري باعث افزایش آبگریزي و افزایش زاویه تماسی میشود
رژیم کسی-بکستر و ونزل دو مدلی هستند که افزایش زاویه تماسی در اثر ایجاد زبري در سطح و ساختار آن را بیان میکنند. هر دو رژیم بیانگر این موضوع هستند که زاویه تماسی در اثر ایجاد زبري افزایش پیدا میکند و تفاوت آنها در این است که رژیم کسی-بکستر زمانی مورد استفاده قرار میگیرد که مایع نتواند به درون زبريهاي موجود در سطح نفود کند و در واقع لایه اي از هوا بین سطح و قطره وجود داشته باشد، و رژیم ونزل براي زمانی است که قطره مایع به تمام شیارهاي موجود در سطح نفوذ کند
در این مقاله نتایج میزان غلظت نانوذرات دي اکسید تیتانیم بر ترشوندگی سطح کامپوزیت آن با سیلیکون رابر ارائه میگردد. بدین منظور نانوذرات دي اکسید تیتانیم در ماتریس سیلیکون رابر با غلظتهاي مختلف آماده گردید.
ترشوندگی نمونه ها قبل و بعد از تابش اشعه فرابنفش مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد با افزایش غلظت نانوذرات میزان آبگریزي سطح ابتدا افزایش و سپس کاهش مییابد. همچنین با تابش اشعه فرابنفش زاویه تماسی افزایش یافته و نمونه ها آبگریزتر میشوند.
مواد و روشها
محلولهاي اولیه با نسبتهاي جرمی متفاوت 500-5 - ، 500-10، 500-20 و 500-30 میلیگرم - از محلول سیلیکون
رابر و پودر نانوذرات دي اکسید تیتانیوم آماده شد. در یک روش معمول 500 میلی گرم سیلیکون رابر در 50 میلی لیترتینر حل شده و به مدت 10 دقیقه در دماي اتاق با سرعت زوایهاي 1000 دور بر دقیقه هم زده شد و سپس مقادیر متفاوت پودر دي اکسید تیتانیوم به آن اضافه شد. نمونههاي آماده شده به مدت 20 دقیقه در حمام اولتراسونیک قرار داده شد و سپس به مدت 60 دقیقه با سرعت زاویهاي 1000دور بر دقیقه هم زده شد تا محلول یکنواختی حاصل آید.
کامپوزیت آماده شده به روش غوطهوري روي زیرلایه لامل که از قبل تمیز شسته شده بود لایه نشانی گردید و سپس در دماي 60 درجه به مدت دو ساعت حرارت داده شد تا خشک و تثبیت شود. زاویه تماسی نمونه هاي آماده شده در سه حالت مورد اندازه گیري قرار گرفت، اولین نمونه بدون تابش اشعه فرابنفش اندازه گیري شد و نمونه هاي دیگر به ترتیب 20 و 30 دقیقه تحت تابش اشعه فرابنفش قرار گرفتند. زاویه تماسی قطرات آب با سطح نمونه ها با استفاده از دوربین اندازهگیري و ثبت شد.
بحث و نتایج
شکل 1 تصویر قطرات آب بر روي سطح پوشیده شده با کامپوزیت سیلیکون رابر و نانوذرات دي اکسید تیتانیوم را نشان میدهد. شکل - a - مربوط به نمونه با نسبت 500-20 است و - b - نتیجه اندازه گیري زاویه تماسی همان سطح را بعد از 30 دقیقه تابش اشعه فرابنفش نشان میدهد.
شکل - a - :1 قطرات آب روي سطح پوشیده شده با محلول سیلیکون رابر و نانوذرات دي اکسید تیتانیوم با نسبت 500-20 و زاویه تماسی مربوط به آن و - b - نتیجه اندازه گیري زاویه تماسی همان سطح زمانی که به مدت 30 دقیقه تحت تابش فرابنفش قرار گرفته است.
شکل :2 نتایج اندازه گیري زاویه تماسی روي سطوح با غلظتهاي متفاوت دي اکسید تیتانیم - a - بلافاصله بعد از لایهنشانی، - b - بعد از تابش اشعه فرابنفش
شکل 2 نتایج زاویه تماسی را براي تمامی نمونهها قبل و بعد از تابش نشان میدهد. چنانکه در این شکل مشاهده میکنیم، بیشترین زاویه تماسی مربوط به نمونه با نسبت 500-20 است که به طور خلاصه با 20 نشان دادهایم. ملاحظه میشود با افزایش غلظت نانوذرات به مقدار 30 زاویه تماسی کاهش یافته و از آبگریزي سطح کاسته میشود.
نانوذرات دي اکسید تیتانیم فوق آبدست هستند و افزایش غلظت آن موجب آبدوست شدن سطح میشود. در غلظتهايهاي کمتر از 5 میلی گرم دي اکسید تیتانیوم نیز زاویه تماسی به زیر 100 درجه افت میکند که احتمالاً ناشی از کمتر شدن زبري سطح ناشی از نانوذرات میباشد.
نتیجه دیگري که در شکل قابل مشاهده است افزایش زاویه تماسی در اثر تابش اشعه فرابنفش میباشد. به دلیل فوتوکاتالیست بودن دي اکسید تیتانیوم، تابش اشعه فرابنفش موجب افزایش تخلخل سطح از فرایند فوتو کاتالیستی میشود و بدین ترتیب ساختار سلسه مراتبی را بهبود داده و سطح آبگریزتر میشود. آبگریزي سطح ناشی از کاهش انرژي آزاد آن است. با استفاده از رابطه نیومن می توان انرژي سطح را محاسبه کرد. در رابطه نیومن انرژي سطح نمونه از طریق رابطه زیر به زاویه تماسی مرتبط میشود :
با توجه به رابطه فوق انرژي سطح نمونهها محاسبه گردید و نتایج در شکل 3 آمده است. همانگونه که ملاحظه میشود کمترین انرژي سطح 1/61 میلی ژول بر متر مربع است که بعد از تابش فرابنفش براي نمونه 20 بدست میآید که با توجه به آبگریز بودن کامپوزیت، نشانه نزدیک شدن سطح به رژیم کسی-بکستر است.
