Огляд технологій виготовлення супергідрофобних покриттів
DOI:
https://doi.org/10.33216/1998-7927-2025-291-5-109-120Ключові слова:
супергідрофобні покриття, кут змочування, змочуваність поверхні, шорсткість поверхні, водовідштовхувальні властивості, методи виготовленняАнотація
Супергідрофобні поверхні стали ключовим напрямком сучасного матеріалознавства. Ці поверхні вирізняються унікальною поведінкою при змочуванні та широким спектром потенційних застосувань у таких сферах, як самоочисні покриття, антикорозійний захист, зменшення лобового опору, технології боротьби з обмерзанням та розділення нафти і води. Натхненні природними моделями, такими як листя лотоса, водорізи та Salvinia molesta, ці поверхні поєднують матеріали з низькою поверхневою енергією з ієрархічною мікро/наноструктурою для досягнення кутів контакту з водою, що перевищують 150°. Ця двошарова шорсткість утримує повітряні кишені під краплями води, забезпечуючи «ефект лотоса», коли краплі скочуються з поверхні, видаляючи забруднення. Розробка супергідрофобних покриттів особливо важлива в контексті корозії металів, оскільки економічні та екологічні фактори створили попит на безпечніші та стійкіші альтернативи. Було розроблено широкий спектр технологій виготовлення, включаючи низхідні методи, такі як лазерна абляція і травлення, і висхідні стратегії, такі як золь-гель осадження і хімічне осадження з газової фази. Однак багато підходів обмежені складністю, вартістю, масштабованістю або впливом на навколишнє середовище. Крім того, практичне застосування цих покриттів пов'язане з проблемами довговічності, сумісності матеріалів, продуктивності під впливом екологічних стресів та використання фторованих сполук, які становлять екологічні ризики. У цьому огляді критично проаналізовано сучасні методології виготовлення супергідрофобних поверхонь. Оцінюються основні принципи, переваги та обмеження цих методів з точки зору механічної міцності, масштабованості та вимог до конкретних застосувань. Особливий акцент зроблено на важливості багатомасштабного структурування поверхні та вибору гідрофобних, низькоенергетичних матеріалів для створення функціонально стійких покриттів. Крім того, в роботі досліджуються обмеження поточних стандартів тестування і припускається, що уніфікована система оцінки механічного зносу, стійкості до навколишнього середовища і гідрофобного утримання має важливе значення для прискорення передачі технології від лабораторії до промислового масштабу. Огляд висвітлює нові стратегії, такі як біоміметичний дизайн, використання матеріалів, що самовідновлюються, та інтеграція супергідрофобних покриттів з багатофункціональними технологіями як перспективні майбутні напрямки. Зрештою, успіх технологій супергідрофобних поверхонь залежить від міждисциплінарних зусиль, що збалансовують показники продуктивності з екологічною відповідальністю та економічною доцільністю для розкриття їхнього трансформаційного потенціалу в різних секторах.
Посилання
1. Barthlott W., Neinhuis C. Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces. Planta. 1997. Vol. 202, no. 1. P. 1–8. URL: https://doi.org/10.1007/s004250050096
2. Ma M., Hill R. M. Superhydrophobic surfaces. Current opinion in colloid & interface science. 2006. Vol. 11, no. 4. P. 193–202. URL: https://doi.org/10.1016/j.cocis.2006.06.002
3. Xiang S., Liu W. Self‐Healing superhydrophobic surfaces: healing principles and applications. Advanced materials interfaces. 2021. P. 2100247. URL: https://doi.org/10.1002/admi.202100247
4. Cassie A. B. D. Contact angles. Discussions of the faraday society. 1948. Vol. 3. P. 11. URL: https://doi.org/10.1039/df9480300011
5. Superhydrophobicity in perfection: the outstanding properties of the lotus leaf / H. J. Ensikat et al. Beilstein journal of nanotechnology. 2011. Vol. 2. P. 152–161. URL: https://doi.org/10.3762/bjnano.2.19
6. The challenges, achievements and applications of submersible superhydrophobic materials / Y. A. Mehanna et al. Chemical society reviews. 2021. Vol. 50, no. 11. P. 6569–6612. URL: https://doi.org/10.1039/d0cs01056a
7. Crick C., Parkin I. Preparation and characterisation of super-hydrophobic surfaces. Chemistry - A european journal. 2010. Vol. 16, no. 12. P. 3568–3588. URL: https://doi.org/10.1002/chem.200903335
8. Superhydrophobic surfaces: a review on fundamentals, applications, and challenges / J. Jeevahan et al. Journal of coatings technology and research. 2018. Vol. 15, no. 2. P. 231–250. URL: https://doi.org/10.1007/s11998-017-0011-x
9. Guo Y., Zhao H. Femtosecond laser processed superhydrophobic surface. Journal of manufacturing processes. 2024. Vol. 109. P. 250–287. URL: https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2023.12.005
10. Ultrafast laser processing of materials: a review / K. C. Phillips et al. Advances in optics and photonics. 2015. Vol. 7, no. 4. P. 684. URL: https://doi.org/10.1364/aop.7.000684
11. Laser textured superhydrophobic surfaces and their applications for homogeneous spot deposition / V. D. Ta et al. Applied surface science. 2016. Vol. 365. P. 153–159. URL: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.01.019
12. Superhydrophobic surfaces fabricated by femtosecond laser with tunable water adhesion: from lotus leaf to rose petal / J. Long et al. ACS applied materials & interfaces. 2015. Vol. 7, no. 18. P. 9858–9865. URL: https://doi.org/10.1021/acsami.5b01870
13. Bayer I. S. Superhydrophobic coatings from ecofriendly materials and processes: a review. Advanced materials interfaces. 2020. Vol. 7, no. 13. P. 2000095. URL: https://doi.org/10.1002/admi.202000095
14. Qian B., Shen Z. Fabrication of superhydrophobic surfaces by dislocation-selective chemical etching on aluminum, copper, and zinc substrates. Langmuir. 2005. Vol. 21, no. 20. P. 9007–9009. URL: https://doi.org/10.1021/la051308c
15. Facile fabrication of superhydrophobic surfaces from austenitic stainless steel (AISI 304) by chemical etching / J.-H. Kim et al. Applied surface science. 2018. Vol. 439. P. 598–604. URL: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.12.211
16. Li L., Breedveld V., Hess D. W. Creation of superhydrophobic stainless steel surfaces by acid treatments and hydrophobic film deposition. ACS applied materials & interfaces. 2012. Vol. 4, no. 9. P. 4549–4556. URL: https://doi.org/10.1021/am301666c
17. Fabrication of hierarchical structures on a polymer surface to mimic natural superhydrophobic surfaces / Y. Lee et al. Advanced materials. 2007. Vol. 19, no. 17. P. 2330–2335. URL: https://doi.org/10.1002/adma.200700820
18. Manoharan K., Bhattacharya S. Superhydrophobic surfaces review: functional application, fabrication techniques and limitations. Journal of micromanufacturing. 2019. Vol. 2, no. 1. P. 59–78. URL: https://doi.org/10.1177/2516598419836345
19. Superhydrophobic surfaces fabricated by nanoimprint lithography / A. Pozzato et al. Microelectronic engineering. 2006. Vol. 83, no. 4-9. P. 884–888. URL: https://doi.org/10.1016/j.mee.2006.01.012
20. Superhydrophobic lotus-leaf-like surface made from reduced graphene oxide through soft-lithographic duplication / X. Yun et al. RSC advances. 2020. Vol. 10, no. 9. P. 5478–5486. URL: https://doi.org/10.1039/c9ra10373b
21. Fabricating Super-Hydrophobic Lotus-Leaf-Like Surfaces through Soft-Lithographic Imprinting / B. Liu et al. Macromolecular rapid communications. 2006. Vol. 27, no. 21. P. 1859–1864. URL: https://doi.org/10.1002/marc.200600492
22. Superhydrophobic perpendicular nanopin film by the bottom-up process / E. Hosono et al. Journal of the american chemical society. 2005. Vol. 127, no. 39. P. 13458–13459. URL: https://doi.org/10.1021/ja053745j
23. Application of 3D printing for fabrication of superhydrophobic surfaces with reversible wettability / W. Zhao et al. RSC advances. 2024. Vol. 14, no. 25. P. 17684–17695. URL: https://doi.org/10.1039/d4ra02742f
24. 3D-Printed biomimetic super-hydrophobic structure for microdroplet manipulation and oil/water separation / Y. Yang et al. Advanced materials. 2017. Vol. 30, no. 9. P. 1704912. URL: https://doi.org/10.1002/adma.201704912
25. Doshi J., Reneker D. H. Electrospinning process and applications of electrospun fibers. Journal of electrostatics. 1995. Vol. 35, no. 2-3. P. 151–160. URL: https://doi.org/10.1016/0304-3886(95)00041-8
26. Superhydrophobic electrospun nanofibers / N. Nuraje et al. J. Mater. Chem. A. 2013. Vol. 1, no. 6. P. 1929–1946. URL: https://doi.org/10.1039/c2ta00189f
27. Novel design of superhydrophobic and anticorrosive PTFE and PAA + β − CD composite coating deposited by electrospinning, spin coating and electrospraying techniques / A. Vicente та ін. Polymers. 2022. Т. 14, № 20. С. 4356. URL: https://doi.org/10.3390/polym14204356
28. Superhydrophobic fabrics produced by electrospinning and chemical vapor deposition / M. Ma et al. Macromolecules. 2005. Vol. 38, no. 23. P. 9742–9748. URL: https://doi.org/10.1021/ma0511189
29. Superhydrophobic carbon nanotube forests / K. K. S. Lau et al. Nano letters. 2003. Vol. 3, no. 12. P. 1701–1705. URL: https://doi.org/10.1021/nl034704t
30. 3D carbon nanotube network based on a hierarchical structure grown on carbon paper backing / X. Sun et al. Chemical physics letters. 2004. Vol. 394, no. 4-6. P. 266–270. URL: https://doi.org/10.1016/j.cplett.2004.07.014
31. Superaligned carbon nanotube arrays, films, and yarns: a road to applications / K. Jiang et al. Advanced materials. 2011. Vol. 23, no. 9. P. 1154–1161. URL: https://doi.org/10.1002/adma.201003989
32. Boinovich L., Emelyanenko A. Principles of design of superhydrophobic coatings by deposition from dispersions. Langmuir. 2009. Vol. 25, no. 5. P. 2907–2912. URL: https://doi.org/10.1021/la803806w
33. Li Y., Liu F., Sun J. A facile layer-by-layer deposition process for the fabrication of highly transparent superhydrophobic coatings. Chemical communications. 2009. No. 19. P. 2730. URL: https://doi.org/10.1039/b900804g
34. Fabrication of robust self‐cleaning superhydrophobic coating by deposition of polymer layer on candle soot surface / R. S. Sutar et al. Journal of applied polymer science. 2020. Vol. 138, no. 9. P. 49943. URL: https://doi.org/10.1002/app.49943
35. Study on the superhydrophobic properties of an epoxy resin-hydrogenated silicone oil bulk material prepared by sol-gel methods / K. Zheng et al. Materials. 2021. Vol. 14, no. 4. P. 988. URL: https://doi.org/10.3390/ma14040988
36. A durable and photothermal superhydrophobic coating with entwinned CNTs-SiO2 hybrids for anti-icing applications / F. Zhang et al. Chemical engineering journal. 2021. Vol. 423. P. 130238. URL: https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.130238
37. Parvate S., Dixit P., Chattopadhyay S. Superhydrophobic surfaces: insights from theory and experiment. The journal of physical chemistry B. 2020. Vol. 124, no. 8. P. 1323–1360. URL: https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.9b08567
38. Barthwal S., Uniyal S., Barthwal S. Nature-Inspired superhydrophobic coating materials: drawing inspiration from nature for enhanced functionality. Micromachines. 2024. Vol. 15, no. 3. P. 391. URL: https://doi.org/10.3390/mi15030391
39. Modifying flexible polymer films towards superhydrophobicity and superoleophobicity by utilizing water-based nanohybrid coatings / F. Krasanakis et al. Nanoscale. 2023. URL: https://doi.org/10.1039/d2nr06780c
40. Challenges and strategies for commercialization and widespread practical applications of superhydrophobic surfaces / L. Li et al. Science advances. 2023. Vol. 9, no. 42. URL: https://doi.org/10.1126/sciadv.adj1554
41. Modification of commercial polymer coatings for superhydrophobic applications / S. S. Cassidy et al. ACS omega. 2024. URL: https://doi.org/10.1021/acsomega.3c09123
42. Bioinspired surfaces for turbulent drag reduction / K. B. Golovin et al. Philosophical transactions of the royal society A: mathematical, physical and engineering sciences. 2016. Vol. 374, no. 2073. P. 20160189. URL: https://doi.org/10.1098/rsta.2016.0189
43. Environment-Friendly antibiofouling superhydrophobic coatings / S. M. R. Razavi et al. ACS sustainable chemistry & engineering. 2019. Vol. 7, no. 17. P. 14509–14520. URL: https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.9b02025
44. Recent progresses of superhydrophobic coatings in different application fields: an overview / Y. Bai et al. Coatings. 2021. Vol. 11, no. 2. P. 116. URL: https://doi.org/10.3390/coatings11020116
