Nuevas herramientas para la caracterización de superficies humectables para áreas súper hidrofóbicas

Nuevas herramientas para la caracterización de superficies humectables para áreas súper hidrofóbicas

Las superficies súper hidrofóbicas (ángulos de contacto de 150° a 180°) son materiales de gran importancia, debido a su habilidad en rechazar agua, auto limpieza y su tendencia a inhibir empañarse. [1] Estas características las hacen inestimables cuando se aplican a; por ejemplo recubrimientos de superficies vidriadas o celdas solares, para minimizar la contaminación por partículas del aire. Por lo tanto es muy importante disponer de una técnica precisa de medición, para caracterizar superficies hidrofóbicas, durante el proceso de desarrollo. A menudo estas superficies son caracterizadas por medición del ángulo de contacto (AC), con agua, para cuantificar la hidrofobicidad de la superficie.

Sin embargo, estudios, de Ras et al., En la Universidad de Aalto mostraron que, aunque la medición del ángulo de contacto es un método preciso para ángulos de contacto por debajo de 120 °, con errores en AC de alrededor de 1 ° para AC ≤ 120 °, estos errores aumentan con el aumento del ángulo de contacto medido: 2 ° para AC de 150 °, 5 ° para AC de 162 ° y 10 ° para AC de 170 ° (Figura 1a). El rango de incertidumbre de AC en las mediciones sugiere que medir ángulos de contacto grandes (AC) entre 150 ° y 180 °, mediante un método óptico, es propenso a errores, que se originan principalmente en líneas de base mal ubicadas, para superficies súper hidrófobas debido a limitaciones de resolución óptica. La incertidumbre en la posición de la línea de base causa grandes errores de AC, como se muestra en la Figura 1b, una línea de base posicionada demasiado baja conducirá a un aumento en la medida del AC (líneas azules claras) y una línea de base colocada demasiado baja conduce a una AC disminuida (líneas naranjas).

a)                                                                  b)

 

 

 

 

 

Figura 1: a) Los errores aumentan sustancialmente a medida que los AC se hacen más grandes, especialmente para la superficie súper hidrófoba (AC > 150 °). b) Los errores en la medición de AC son causados por limitaciones de precisión en el posicionamiento de la línea base.

 

Debido a la precisión limitada de los ángulos de contacto con el agua en superficies superhidrofóbicas, se deben considerar los métodos para cuantificar con precisión las propiedades de la superficie.

 

A continuación, se presenta el método de medición de la fuerza adhesiva como una forma mucho más precisa de evaluar cuantitativamente la interacción entre el agua y las superficies altamente hidrófobas (Figura 2). En una medición de la fuerza adhesiva, se coloca una gota de agua en un soporte de muestra que está conectado a un tensiómetro. El sustrato se coloca sobre una mesa de muestra que se eleva lentamente hacia la gota de agua en el soporte de muestra (1). Cuando la gota toca la muestra, se inicia automáticamente la recopilación de datos de la señal de equilibrio (2) y se calcula y registra la fuerza entre la gota y el sustrato. Para aumentar el área de contacto, la gota puede comprimirse más (3a) o extraerse directamente bajando la mesa de muestras (3b). Finalmente, la caída se extraerá de la superficie (4) y la señal de equilibrio máximo, durante esta secuencia (y la fuerza que esto representa) se resaltará como una propiedad característica de la superficie. Este valor calculado puede caracterizar con mayor precisión la interacción en la interfaz sólido-líquido, entre la superficie súper hidrófoba y el líquido que entra en contacto con ella; en comparación con la medición de AC como se describirá en la Figura 3.

Figura 2: El proceso de medición de la fuerza adhesiva.

Figura 3: Medición de la fuerza adhesiva aplicada para caracterizar diferentes tipos de materiales, tales como Polietersulfona (Membrana A), PTFE (Membrana B), Polietersulfona I (Membrana C), Polietersulfona II (Membrana D), Fibra de vidrio (Membrana E), Polietersulfona (Membrana F).

Para ilustrar las capacidades de las mediciones de la fuerza adhesiva, se caracteriza diferentes tipos de membranas de materiales hidrófobos y súper hidrófobos, a saber, Polietersulfona (Membrana A), PTFE (Membrana B), Polietersulfona I (Membrana C), Polietersulfona II (Membrana D), Fibra de vidrio (Membrana E), Polietersulfona III (Membrana F). Este método proporciona datos altamente precisos y una gran reproducibilidad. Durante estos estudios, se encontró que diferentes superficies macroscópicamente rugosas, con AC similares, produjeron fuerzas adhesivas muy diferentes (Figura 3; membrana C y D). De estas mediciones se observa que los materiales, con ángulos de contacto con el agua bastante similares, pueden (aún eliminados) exhibir (eliminar) una fuerza adhesiva significativamente diferente; haciendo que la fuerza adhesiva medida sea un parámetro mucho más confiable para caracterizar este tipo de superficies, en comparación con la medición de ángulos de contacto, por encima de 150 °. Al comparar, por ejemplo, las membranas C, D, E para las cuales el ángulo de contacto solo difiere alrededor de 8 °, con un error en esta región de alrededor de ± 2 °, las fuerzas adhesivas difieren en un factor de alrededor de 3 dando mayor diferenciación entre estas superficies y hace que las mediciones de fuerza adhesiva sean una herramienta mucho más precisa y exacta para caracterizar cuantitativamente la interacción entre el agua y las superficies altamente hidrofóbicas.

Comentado por DPI:

El método de fuerza adhesiva es una forma precisa y confiable de evaluar cuantitativamente la interacción entre el agua y las superficies altamente hidrofóbicas y, por lo tanto, puede impulsar el desarrollo de recubrimientos repelentes de líquidos.

Si desea saber más sobre el contenido del artículo, puede ver directamente la información de la literatura a continuación.

[1] Improving Surface-Wetting Characterization; Kai Liu, Maja Vuckovac, Mika Latikka, Tommi Huhtamäki, Robin H. A. Ras; Science 2019 363 (6432), 1147-1148; DOI: 10.1126/science.aav5388

También se puede encontrar una comparación de la medición del ángulo de contacto y la medición del adhesivo en el siguiente artículo.

Study of Wetting and Adhesion Interactions between Water and Various Polymer and Superhydrophobic Surfaces; Benedict Samuel, Hong Zhao, Kock-Yee Law; J. Phys. Chem. C 2011, 115, 14852–14861; DOI: 10.1021/jp2032466.