Гидрофобным: Недопустимое название — Викисловарь

Гидрофобность — это… Что такое Гидрофобность?

Капля воды на гидрофобной поверхности травы

Гидрофобность (от др.-греч. ὕδωρ — вода и φόβος — боязнь, страх) — это физическое свойство молекулы, которая «стремится» избежать контакта с водой^[1]. Сама молекула в этом случае называется гидрофобной.

Гидрофобные молекулы обычно неполярны и «предпочитают» находиться среди других нейтральных молекул и неполярных растворителей. В воде такие молекулы часто кластеризуются с образованием мицелл. Вода на гидрофобных поверхностях собирается в капли с низкими значениями угла смачивания.

Гидрофобными являются молекулы алканов, масел, жиров и других подобных материалов. Гидрофобные материалы используются для очистки воды от нефти, удаления разливов нефти и химических процессов разделения полярных и неполярных веществ.

Слово «гидрофобный» часто используется в качестве синонима к слову «липофильный» — «жиролюбивый», хотя это не вполне корректно.

Действительно, гидрофобные вещества в целом липофильны, но среди них есть и исключения — например, силиконы.

Химические основы

Согласно термодинамике, материя стремится к состоянию с минимальной энергией, а связывание понижает химическую энергию. Молекулы воды поляризованы и способны образовывать между собой водородные связи, чем объясняются многие уникальные свойства воды. В то же время, гидрофобные молекулы не поляризованы и не способны образовывать водородные связи, поэтому вода отталкивает такие молекулы, предпочитая образовывать связи внутри себя. Именно этот эффект определяет гидрофобное взаимодействие, называемое так не совсем корректно, так как его источником является взаимодействие гидрофильных молекул воды между собой.^[2] Так, две несмешивающиеся фазы (гидрофильная и гидрофобная) будут находиться в таком состоянии, где поверхность их контакта будет минимальной. Данный эффект можно наблюдать в явлении разделения фаз, происходящем, например, при расслоении водно-масляной эмульсии.

Сверхгидрофобность

Капля на поверхности Лотоса.

Сверхгидрофобные материалы имеют поверхности, чрезвычайно не склонные к смачиванию (с углом контакта с водой, превышающим 150°). Многие из подобных материалов, обнаруженных в природе, подчиняются закону Кассье и являются двухфазными на субмикронном уровне, причем одним из компонентов является воздух. Эффект лотоса основан на этом принципе. Примером сверхгидрофобного материала-биомиметика в нанотехнологии является нанопин-пленка. В работе ^[3] показано, что поверхность ванадия пентоксида может переключаться между сверхгидрофобностью и сверхгидрофильностью под действием УФ излучения. Согласно этому исследованию, любую поверхность можно наделить подобным свойством путем нанесения на неё суспензии розеткообразных частиц V

2O₅, например, с помощью струйного принтера. Тут гидрофобность также вызывается межслойными воздушными полостями (разделёнными расстояниями 2.1 нм). Механизм действия УФ излучения состоит в создании пар «электрон-дырка», в которых дырки реагируют с атомами кислорода в кристаллической решетке, создавая кислородные вакансии на поверхности, а электроны восстанавливают V⁵⁺ до V³⁺. Кислородные вакансии закрываются водой и такое поглощение воды поверхности ванадия делает её гидрофильной. При продолжительном пребывании в темноте вода замещается кислородом гидрофильность утрачивается.

См. также

Примечания

1. ↑ Aryeh Ben-Na’im Hydrophobic Interaction Plenum Press, New York (ISBN 0-306-40222-X)
2. ↑ Goss, K. U. and R. P. Schwarzenbach (2003): «Rules of Thumb for Assessing Equilibrium Partitioning of Organic Compounds: Successes and Pitfalls.» JOURNAL OF CHEMICAL EDUCATION 80(4): 450—455. Link to abstract
3. ↑ UV-Driven Reversible Switching of a Roselike Vanadium Oxide Film between Superhydrophobicity and Superhydrophilicity Ho Sun Lim, Donghoon Kwak, Dong Yun Lee, Seung Goo Lee, and Kilwon Cho J. Am. Chem. Soc.; 2007; 129(14) pp 4128 — 4129; (Communication) DOI:10.1021/ja0692579

Ссылки

Гидрофильные и гидрофобные поверхности — выбор моющего инвентаря Unger

Unger 4 апреля 2017

Выбор правильного инвентаря для мытья остекления при работе с гидрофильными и гидрофобными поверхностями.

Гидрофильные поверхности

Гидрофильная поверхность (в том числе стекло) реагирует на контакт с жидкостями (водой). Растекшиеся капли воды на такой поверхности либо впитываются, либо собираются в жидкую пленку и стекают, почти не оставляя следов. Гидрофильное стекло не отмыть обычным способом из-за его особых свойств. При работе с такой поверхностью рекомендуем использовать очищенную воду — на гидрофильных стеклах она образует пленку, что гарантирует быстрый результат и безупречное качество.

Для работы с гидрофильными поверхностями идеально подходят форсунки nLite от компании Unger. Они позволяют точно направить воду под высоким давлением на нужный участок стекла, полностью промывая всю его поверхность. Именно благодаря этим качествам форсунки nLite идеально подходят для гидрофильных стекол. Внимание! Во избежание повреждений покрытия при работе с гидрофильным остеклением используйте только правильно подобранный инвентарь для мытья стекол!

Гидрофобные поверхности

При контакте гидрофобной (водоотталкивающей) поверхности с жидкостью происходит именно то, на что прямо указывает название: такие поверхности отталкивают воду.

В результате вода формирует капли, которые затем стекают вниз, смывая грязь и пыль. Водоотталкивающие свойства придаются стеклу посредством нанесения тонкого органического покрытия (например, из фторированного кремния) либо за счет придания поверхности определенной микроструктуры. 

Если Вы проводите чистку водоотталкивающего стекла с использованием очищенной воды, необходимо помнить, что из-за крупнозернистой структуры покрытия на поверхностях данного типа сильнее накапливается загрязнение и, в результате, после мытья на стекле могут остаться пятна (даже если мойка проводилась очищенной водой). Это легко исправить, проведя дополнительную промывку и сократив интервалы времени между очередными чистками стекол.

Для гидрофобного стекла Unger предлагает такое решение как распыляющая насадка nLite. С ее помощью вода наносится на стекло тонким ровным слоем, захватывающим большие поверхности, а затем стекает вниз. Насадка nLite – идеальное решение для гидрофобного стекла. Во избежание повреждений покрытия при работе с гидрофобным остеклением используйте только правильно подобранный инвентарь.

Гидрофобное покрытие. Что это такое и зачем нужно?

Вступление

Вода, так необходимая для жизни, не только созидает и питает, но и обладает большой разрушительной силой. Капля, точащая камень, – это не столько афоризм, сколько истина: постоянное воздействие влаги (например, атмосферные осадки) способно навредить самым прочным конструкциям и превратить со временем в пыль любые материалы. Чтобы защитить поверхности от разрушительной силы воды, ученые разработали специальные составы, образующие гидрофобное покрытие.

Что такое гидрофобное покрытие?

Гидрофобное покрытие – это средство, которым обрабатывается какая-либо поверхность, чтобы сделать ее водонепроницаемой, то есть – защитить от воздействия влаги.

Лучшие защитные средства
для авто

По оптовым ценам от производителя

Свойства гидрофобных покрытий

Водоотталкивающее покрытие образует на поверхности, на которую наносится, тонкую защитную пленку, которая не дает воде проникать внутрь. За счет этого срок эксплуатации поверхности значительно увеличивается. Гидрофобные составы обладают такими свойствами:

• водонепроницаемостью;
• антикоррозийными характеристиками;
• повышенной морозостойкостью;
• стойкостью к появлению грибка, разрастанию других биологических организмов;
• антиадгезийными характеристиками – устойчивостью к загрязнениям неорганического и органического характера, к запотеванию;
• безвредностью для здоровья человека и состояния окружающей среды.

Принцип работы

При нанесении гидрофобного материала на объект капля воды, соприкасаясь с защищенной поверхностью, принимает близкую к шарообразной форму и скатывается, по пути захватывая все загрязнения. В результате объект очищается и защищается от промокания и, как следствие, – разрушения.

Применение современных гидрофобизаторов защищает от агрессивного воздействия окружающей среди и повышает конструкционную прочность материалов. В связи с этим водоотталкивающие средства широко используются в строительстве для обработки бетонных, каменных, деревянных поверхностей, штукатурки и других объектов, в быту – для защиты одежды и обуви. Гидрофобное покрытие играет большую роль в повышении эксплуатационных свойств автомобилей.

Виды гидрофобных покрытий

Прежде чем покупать гидрофобное средства, следует знать, что для каждого типа поверхности существует свое водоотталкивающее покрытие, адаптированное под особенности и физические свойства определенного материала.

• Пропитки. Используются для пористых материалов и применяются при возведении стен зданий, укладке садовых дорожек.
• Лаки. Применяются, в основном, для обработки покрытий из дерева для защиты от промокания и, как следствие, – разбухания и гниения. Лаки выпускаются бесцветными, при нанесении не только оказывают водозащитный эффект, но и придают изделию глянец и блеск.
• Морилки. Изготавливаются на основе олифы, используются для деревянных изделий для защиты от влаги и гниения. Наносятся кистью, валиком или распылителем.
• Краски (эмали и грунтовки). Один из наиболее распространенных видов влагозащитных средств. Водоотталкивающие краски универсальны (подходят для различных типов материалов, в том числе, дерева, металла, бетона), не имеют запаха, гигиеничны. Легко наносятся кистью или распылителем.
• Аэрозоли, восковые составы, гели, жидкости, пасты. Имеют широкий спектр применения в зависимости от характеристик. Такими составами обрабатывают обувь, кожу, экраны компьютеров, телефонов, стекла автомобилей. Средства легко наносятся без применения специальных инструментов.

Все виды средств имеют одно общее качество – защиту от влаги. Однако перед покупкой следует обратить внимание на сферу использования покрытия: например, тип, применяющийся для стройматериалов, не подойдет для обуви и наоборот.

Гидрофобное покрытие для автомобиля

Автомобиль, который используют при любых погодных условиях, а также часто и хранят под открытым небом, регулярно испытывает на себе воздействие агрессивных сред. Особенно это касается кузова и других металлических деталей. В соединении с грязью и солью, которой зимой посыпают дороги от обледенения, влага может очень быстро разрушить лакокрасочное покрытие кузова и привести к коррозии металла. Гидрофобное покрытие кузова спасает поверхность автомобиля от быстрого износа.

Линейка водоотталкивающих покрытий для машины разнообразна, она представлена несколькими видами составов, различающихся по технологии производства и защитного воздействия.

Консерванты – это средства, которые убирают микроцарапины лакокрасочного покрытия кузова или салона и придают такую гладкость поверхности, что вода быстро скатывается. Они могут быть органического и искусственного происхождения.

Среди консервантов выделяют:

• Воски. Составы на натуральной основе недорогие и безвредные для здоровья. Используются для полировки ЛКП и обработки элементов салона. Недостаток – кратковременность действия.
• Силиконовые средства с ингибиторами коррозии. Составы на искусственной основе, образующие на поверхности кузова защитную пленку. Прочные, износостойкие полимеры, некоторые обладают защитой не только от воды, но и ультрафиолета.
• Тефлоновые полимерные смеси. Это составы, устойчивые к воздействию влаги и царапинам, хорошо маскируют повреждения и придают машине глянец.
• Нано покрытия. Особенность инновационных покрытий – связь с ЛКП на молекулярном уровне, что делает их более прочными и устойчивыми к воздействию окружающей среды. Они легко наносятся и имеют хороший срок службы.
• Соли жирных кислот.
• Кремниевые покрытия. Одни из самых надежных и популярных гидрофобных средств, основой которых служат лаки и эмали, сохраняющие свойства даже после многочисленных посещений автомойки. Их отличают высокие водоотталкивающие и защитные свойства, но и стоимость кремниевых составов выше.

Воски, полироли и антидождь
для авто

По оптовым ценам от производителя

Отдельно стоит сказать о покрытии для стекол. «Антидождь» выпускается в виде полиролей, гелей и состоит из полимеров, силиконов, присадок и органических растворителей. После нанесения на стекло автомобиля состав создает на нем невидимую пленку, которая защищает от влаги и улучшает видимость в условиях дождя. Капли, быстро скатываясь по поверхности, не создают водяной пленки, затрудняющей обзор. Кроме того, составы обладают грязеотталкивающими свойствами, способствуют легкому удалению наледи и снега на стекле и уменьшают расход омывающей жидкости.

Нанесение гидрофобного покрытия

Нанесение водоотталкивающего покрытия зависит от особенностей его состава и формы. Общие рекомендации таковы.

1. Автомобиль тщательно очистить от всех загрязнений – помыть самостоятельно или воспользоваться автомойкой.
2. Обработать поверхности обезжиривающими составами до состояния сухости.
3. С помощью мягкой тряпки для авто покрыть стекла и кузов полирующим средством.
4. Обработать поверхности гидрофобным покрытием, следуя инструкции, прилагаемой к средству.
5. Повторно отполировать стекло или поверхность кузова мягкой тряпкой.
6. После нанесения покрытия несколько часов заводить машину не нужно. В течение 3-4 дней автомобиль не следует мыть.

Внимание! Для нанесения некоторых видов водоотталкивающего покрытия могут понадобиться специальные знания и/или инструменты. В таком случае лучше обратиться на СТО к профессионалам.

Удаление средства

Если гидрофобное средство нанесено правильно по инструкции, удалять его не понадобится: по истечении срока эксплуатации покрытие само равномерно истирается. Однако может возникнуть такая необходимость, если первый раз обработка была некачественной или требуется сменить гидрофобизатор. В таком случае защитную пленку с машины снимают при помощи обычного этилового спирта или специального средства для снятия водоотталкивающих составов (они обычно продаются в магазинах, предлагающих покрытия) круговыми движениями. После удаления машину протирают мягкой салфеткой.

Самодельные аналоги

Если хочется сэкономить на автохимии, «антидождь» можно изготовить самостоятельно. Для этого нужно использовать уайт-спирит и обычную парафиновую свечу в пропорциях 1:20. Парафин измельчают и тщательно смешивают с растворителем до однородной массы. Полученной смесью обрабатывают поверхность кузова и/или стекла. После машину оставляют на время, пока уайт-спирит испарится. Затем натирают обработанную поверхность мягкими салфетками, не оставляющими ворс. Такой самодельный «антидождь» может продержаться на автомобиле до 2 месяцев.

Перспективы применения стеклянных изоляторов с гидрофобным покрытием — ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение

Ким Е. Д.– профессор, доктор технических наук;

Шеленберг М. В. – ООО «СКТБ по изоляторам и арматуре»

Трифонов В. З. – ФГУП «ВЭИ»

 

   Линейные изоляторы из закаленного стекла являются наиболее распространенными на высоковольтных воздушных линиях электропередачи, что обусловлено их высокой электрической и механической прочностью и простотою визуализации дефектных элементов в гирлянде. Но существуют локальные области, характеризующиеся повышенной степенью загрязненности атмосферы, в которых стеклянные изоляторы не способны обеспечивать надежной работы на требуемом уровне. Сюда можно отнести территории, примыкающие к предприятиям тяжелой и химической промышленности, районы с природными солончаками, прибрежные зоны с возможными морскими уносами и др. Конденсация ионообразующих загрязнений на поверхности твердого диэлектрика приводит к возрастанию поверхностных токов утечки, под действием которых происходит частичное разрушение поверхности диэлектрика, что, в свою очередь, ускоряет процесс осаждения загрязняющих аэрозолей. В результате: изоляторы либо разрушаются «преждевременно», либо теряют изолирующую способность и гирлянда перекрывается даже при рабочем напряжении, часто  наблюдаются эти события практически одновременно. Как позывает опыт, профилактические меры по смыву загрязнений и максимальное увеличение длины пути утечки изолирующей конструкции не дают ожидаемого положительного эффекта, кроме того они трудоемки и весьма затратны.

Опыт эксплуатации подстанционной изоляции с гидрофобным покрытием

   На сегодня наиболее эффективным техническим решением повышения надежности работы внешней изоляции в условиях интенсивного загрязнения является применение полимерных изоляторов с защитной оболочкой из кремнийорганической смеси. Многолетним опытом эксплуатации установлено, что гидрофобность силикона может сохраняться в течение долгих лет без каких-либо признаков ограничения срока службы благодаря тому, что полимеры с низким молекулярным весом и слабой энергией связи, но обеспечивающие  гидрофобность, могут диффундировать из объема оболочки на её поверхность. Таким образом, гидрофобные свойства защитной оболочки изолятора трансформируются на осаждаемый слой загрязнения, что препятствует процессу накопления загрязнения. Вместе с тем отсутствие надежного способа диагностики состояния соединения по границе «стрежень – защитная оболочка» и самого несущего элемента — стержня  сдерживает повсеместное использование полимерных изоляторов.

   Нанесение на наружную изоляцию гидрофобных покрытий является одним из профилактических мероприятий, направленных на восстановление и повышение ее разрядных характеристик. Одним из перспективных направлений в этой области стало применение покрытий на основе силиконовых компаундов холодного отверждения, RTV резины. Важное достоинство таких покрытий заключается в том, что при попадании на поверхность стекла или фарфора происходит ориентация метильных групп (-СН₃) в сторону внешней поверхности покрытия, которые и обуславливают их гидрофобные свойства. Кроме того прочность связи Si – Oосновной цепи силиконовых полимеров больше прочности связей C – Si и C – H, следовательно  процессы окисления и деструкции будут преимущественно идти по боковым цепям и функциональным группам.

Рис. 1. Нанесение гидрофобного покрытия на изоляцию ОРУ-330 кВ Кураховской ТЭС

   Полученный   к середине   90-х  годов  положительный опыт эксплуатации покрытий на основе однокомпонентных кремнийорганических эластомеров в районах с высокой степенью загрязненности дал новый толчок к всестороннему изучению свойств данного типа покрытий и исследованиям по улучшению их эксплуатационных свойств [1, 2]. В настоящее время накоплен большой положительный мировой опыт  применения покрытий наружной изоляции полимерными эластомерами холодного отвердения (RTV) как экономически оправданный  способ восстановления и усиления изоляции. Нельзя не отметить, что среди стран СНГ наиболее широко RTV-технологии применяются в электросетях Украины [3]. Так большая часть подстанционной изоляции, включая ОРУ-330 кВ, расположенных в местах  преимущественных уносов летучих выбросов,  это восточные регионы страны, поддерживается  не нанесением гидрофобной пасты или жидкости, а образованием твердого силиконового покрытия (рис. 1).

Опыт применения RTV покрытия на ВЛ

   Известно, что с конца 1990-х, основываясь на положительном опыте эксплуатации полимерных изоляторов, ISA и REP — одни из крупнейших международных транспортеров электрической энергии в Латинской Америке, стали внедрять технологию полимерных изоляторов в своих сетях [4]. Изоляторы устанавливали на  проблемных участках линий, проходящих вдоль морского побережья, а также  пустынных прибрежных равнин с субтропическим климатом, высокой влажностью и малым количеством осадков. Результаты не оправдали ожиданий. Так, например, в период 1996-2009 около 12 000 изоляторов было установлено на линиях электропередачи 220 кВ вдоль побережья. С 2004 года всего было зафиксировано 17 случаев отказов на линиях электропередачи по причине механических разрушений изоляторов.По мнению экспертов,  конечной причиной отказов являлись образование азотной кислоты внутри изоляторов под воздействием высокого уровня загрязнения, высокой влажности и электрического напряжения.

   Электросетевые компании вынуждены были находить альтернативы этим  изоляторам. ISA выбрали полимерные изоляторы нового поколения с улучшенной конструкцией, выполненные из кислотостойких стержней с применением технологии радиального сжатия с контролем деформации. В то же время компания REP предпочла стеклянные изоляторы с RTV силиконовым покрытием. Ключевым аргументом в пользу выбора изоляторов из закаленного стекла с покрытием из силиконовой резины являлась простота контроля:  не требуется специального оборудования кроме  визуального осмотра для оценки состояния изолятора. Чтобы избежать штрафов из-за перебоев в работе линий, обе компании замену изоляторов проводили под напряжением, для чего предварительно была разработана соответствующая технология.

   Выбор того или иного вида изоляторов зависит от многих факторов: от традиции, от особенности географических и климатических условий, от загрязненности атмосферы.  В электросетях Китая в последние годы отмечается существенно опережающее применение полимерных изоляторов, что можно видеть по обобщенным данным высоковольтных сетей Китая (табл.1) [5].  

                                                                                                                                        Таблица № 1

                   Данные эксплуатации линейных изоляторов в  сетях 66 кВ и выше в Китае

Изолятор	Суммарно по 2012 г.		От 2007 по 2012 г. г.
	Установлено	Повреждено	Установлено	Повреждено
Фарфоровый	37,7 %	0,059 %	26,4 %	0,04 %
Полимерный	37,0 %	0,068 %	43,7 %	0,04 %
Стеклянный	25,0 %	0,020 %	29,5 %	0,01 %
Фарфоровый длинно-стержневой	0,30 %	0,044 %	0,40 %	0,02 %

 

   В северо-западных и северных районах Китая, где изоляторы  подвержены относительно большим загрязнениям, полимерные изоляторы нашли большее применение. Следует отметить, что в Китае количество композитных изоляторов  на вновь строящихся линиях ультравысокого напряжения переменного и постоянного тока  (т.е. 1000 кВ, 750 кВ, ±800 кВ и ±500 кВ) составляет более чем 55% всех изоляторов, находящихся  в обслуживании. Более высокая устойчивость к загрязнениям позволяет заметно уменьшить высоту порталов, таким образом удается  существенно снизить капитальные затраты на строительство таких линий.

Рис. 2. Гирлянда изоляторов с гидрофобным покрытием на ВЛ500 кВ в провинции Хубей (Китай)

   Вместе с тем, наблюдаемый уровень отказа полимерных изоляторов (см. табл. 1), отсутствие простых и надежных способов контроля скрытых дефектов не способствовали применению композитных изоляторов для некоторых китайских энергетических компаний, особенно на линиях сверхвысоких напряжений. В этой связи проводились исследования, направленные на применение стеклянных изоляторов с RTV покрытием. Такие работы велись практически параллельно с освоением технологии восстановления подстанционных фарфоровых изоляторов. Как отмечено в [5], бесспорное  преимущество покрытий RTV на фарфоре или стекле заключается в том, что они комбинируют надежные механические свойства неорганических изоляторов с превосходной стойкостью к загрязнениям силиконовой резины. На данный период их главным недостатком считается  высокая цена изделия.  Действительно, для вновь строящейся линии, гидрофобизированные  RTV резиной изоляторы явно дороже, чем  композитные изоляторы. Однако, для существующих линий стоимость нанесения покрытия находящихся на линиях изоляторов воспринимается  как приемлемая по сравнению затратами  по замене на полимерные изоляторы. С повышением качества и надежности покрытия многие поставщики электроэнергии более склонны, чем когда-либо, чтобы воспользоваться изоляторами с покрытием RTV на важных линиях высоковольтной передачи. Например, компания Tianjin Power Bureauприменила полимерное покрытие изоляторов линий 220 кВ, питающих столицу — Пекин. Кроме того, для натяжных изоляторов  в районах с высоким загрязнением все чаще стали применять гирлянды стеклянных изоляторов  с  RTV покрытием (рис. 2).

   Всемирно известная компания Sediver более 20 лет поставляет изоляторы из закаленного стекла с гидрофобным RTV покрытием,  на данный период она реализовала свыше 1 200 000 шт.  Эти изоляторы успешно эксплуатируются в различных энергосистемах на ВЛ вплоть до класса 500 кВ в условиях интенсивных загрязнений, преимущественно в на линиях, проходящих вдоль морского побережья [6]. 

                                                                                                                                         Таблица № 2

                          Эксплуатация стеклянных изоляторов с RTV покрытием производства Sediver    

Энергокомпания	Начало эксплуатации	Условие эксплуатации
Катар — MEW	1996 г.	Область со смешанным загрязнением
Италия — Terna	2004 г.	Побережье с высоким морским загрязнением
Франция — EDF	2008 г.	Побережье с высоким морским загрязнением
Англия — NG	2008 г.	Область с высоким уровнем загрязнений
Норвегия — Statnett	2010 г.	Побережье с высоким морским загрязнением
Перу — Abengoa	2011 г.	Побережье с высоким морским загрязнением

   Как показывает опыт работы стеклянных изоляторов с гидрофобным покрытием [6], отпала  потребность чистки изоляции, хотя такое мероприятие предусматривалось  на аналогичных линиях (см. табл. 2). При этом отмечается, что затраты, понесенные при покупке таких изоляторов, компенсируются исключением процедуры осмотра композитных изоляторов, выполняемые преимущественно методом верхового осмотра.

Лабораторные и полевые исследования

   Созданию производства по выпуску стеклянных изоляторов с RTV покрытием в Sediver   предшествовали всесторонние исследования [7] при непосредственном участии специалистов компании Terna, высоковольтных лабораторий Stri (Швеция) и Bazet (Франция) по трем основным аспектам:

— эрозионной стойкости материала покрытия;

— гидрофобности при различных экстремальных внешних воздействиях;

— устойчивости к загрязнению.

   Особый интерес представляют накопленные в течение 20 лет  данные мониторинга   состояния RTV покрытия на  стеклянных изоляторах. Испытуемые образцы продемонстрировали общее хорошее сохранение гидрофобных свойств — в том числе в тяжелых районах, где  чистка ранее выполнялась почти ежеквартально. Было установлено локальное снижение гидрофобности вокруг стержня изолятора на стороне высокого потенциала, что не удивительно, учитывая распределение электрического поля вдоль гирлянды, что не могло влиять на стойкость всей изоляции.

Рис. 3. Внешний вид гирлянды изоляторов и испытательного оборудования

   Для сравнения испытывались в камере чистого тумана  (рис. 3) две гирлянды по четыре изолятора каждая: одна из изоляторов с покрытием после 20 лет эксплуатации в условиях,характеризующихся сочетанием пустыни, морских и промышленных загрязнений; вторая — из новых изоляторов без покрытия, но искусственно загрязненных в одинаковой степени с первой по плотностям нерастворимых (NSDD) и солевых составляющих загрязнений (ESDD). Гирлянда из искусственно загрязненных изоляторов показала в среднем разрядные напряжения на уровне 72 кВ. В то же время при этих же условиях испытания,  гирлянда изоляторов, демонтированных после  20 лет  службы, перекрывалась при напряжении не ниже 240 кВ.

   В настоящее время некоторые мировые производители стеклянных изоляторов в перечень выпускаемой продукции включают изоляторы с гидрофобным покрытием. Однако отсутствие общепринятых технических условий и соответствующих методов оценки регламентируемых параметров отчасти препятствуют распространению новых изделий. Представляется закономерным, что общий подход в разработке дополнительных технических требований, относящихся к защитным функциям   покрытия, должен основываться на существующих нормативных материалах для композитных изоляторов. Сюда можно отнести трекинго — эрозионную стойкость покрытия, определяющую срок службы в экстремальных условиях,  внешние электрические характеристики при различных условиях загрязнения. Трудность заключается в том, что, например, по первому показателю сами методы испытания, нормированные для полимерных изоляторов, могут быть приняты практически без купюр. Однако  критерии приемки должны быть скорректированы, поскольку, как отмечено в [5, 6], предельные размеры повреждения оболочки для композитного изолятора не являются критическими для неорганических изоляторов с RTV покрытием, поскольку закаленное стекло или фарфор сами по себе являются стойкими к внешним воздействиям диэлектриками. Поэтому частичное разрушение покрытия не может привести к ускоренному выходу из строя всей изоляционной конструкции, как это имеет место в случае полимерных изоляторов.

  Некоммерческое партнерство «Электросеть изоляция», объединяющее ведущих отечественных производителей арматуры и изоляторов для сетевых объектов, стало инициатором разработки современных нормативно-технических документов для стеклянных тарельчатых изоляторов с гидрофобным покрытием. Данная инициатива нашла поддержку в ПАО «Россети» и разработка двух СТО ПАО «Россети» «Изоляторы линейные подвесные тарельчатые с гидрофобным покрытием» включена в план создания СТО ПАО «Россети» на 2016-17 гг.

Рис. 4. Результаты испытаний стеклянных изоляторов «ЮМЭК» в условиях соляного тумана и обледенения — оттаивания: БП- без покрытия; П1- RTV покрытие Terna; П2-RTV покрытие ЮМЭК

Разработчиками СТО являются специалисты двух ведущих отечественных производителей стеклянных изоляторов – «ЮАИЗ» и «ЮМЭК», активное участие в подготовке новых документов принимают представители ПАО «НТЦ ФСК ЕЭС» и испытательного центра «ВЭИ».

   В марте 2016 года в испытательном центре ФГУП ВЭИ успешно завершены сравнительные испытания стеклянных тарельчатых изоляторов производства ЗАО «ЮМЭК»  с гидрофобным покрытием и без него. Проведенные испытания (определение выдерживаемых напряжений в атмосфере соленого тумана при различной концентрации соли в растворе и определение разрядных и выдерживаемых напряжений в условиях обледенения и оттаивания) показали преимущества изоляторов с гидрофобным покрытием в сложных климатических условиях.

   На  рис. 4 представлены данные испытаний стеклянных изоляторов производства «ЮМЭК» с RTV покрытием, выполненным, в том числе, в Италии по технологии Terna – Sediver, на стойкость к соляному туману. Там же приведены результаты пробных испытаний изоляторов, составленных в гирлянды по 3 элемента в каждой,  в условиях, имитирующих оттаивание изоляторов после их обледенения. Представляется целесообразным для линейных изоляторов тарельчатого типа из фарфора или из закаленного стекла с гидрофобным покрытием требования стойкости к различным видам загрязнений нормировать для коротких гирлянд (например, из 5-ти элементов). При этом соответствующие  методы испытания, определяющие эти характеристики, должны быть адаптированы для объективного учета гидрофобных свойств изоляторов.

  Из гистограмм можно отметить незначительный эффект — всего лишь 5%-10% превышения измеряемых напряжений по сравнению с изоляторами без защитного слоя. Следует отметить, что к аналогичным результатам приводят испытания изоляторов в условиях предварительного твердого загрязнения по существующим методикам, при которых одним из условий является постоянство параметров загрязнений на объекте в течение всего процесса испытания, что априори нивелирует свойство смачиваемости поверхности диэлектрика.

  В упоминаемой выше работе [6] приведены результаты испытаний коротких гирлянд (из 5-ти элементов) с предварительным твердым загрязнением, выполненных по рекомендации Stri. 

Рис. 5. Результаты испытания гирлянды из 5-ти изоляторов с RTV покрытием с твердым загрязнением, с плотностью 0,1 мг / см2

  По сути, процедура испытания соответствовала известной методике по МЭК 60507, но отличие состояло в том, что дискретный подъем напряжения проводился с маленьким шагом, около 5% от расчетной величины разрядного напряжения (рис. 5). Весь цикл получения конечного результата на одном объекте составил около 100 мин, при этом контроль состояния слоя загрязнений не проводился.  Поэтому можно предположить, что за период проведения испытаний изоляторы с RTV покрытием значительно больше «утратили» загрязнение, чем изоляторы без покрытия, таким образом удалось оценить  более реалистичный эффект гидрофобности RTV слоя. В приведенном примере выдерживаемые напряжения существенно отличались между собой: 132 кВ против 76 кВ (см. рис. 5).

  На фоне положительного опыта эксплуатации стеклянных изоляторов с RTV покрытием на ВЛ переменного тока  отмечается активизация исследования работоспособности этих изоляторов на линиях постоянного тока.  По данным [8] с 2009 г. около 2000 шт. изоляторов с защитным покрытием успешно проходят опытную эксплуатацию на ВЛ  200 кВ на участке Tuscany, который входит в единую систему Terna. Программа испытаний включает в себя следующие мероприятия:  визуальная инспекция; оценка гидрофобности; оценка уровня загрязнения; измерение проводимости слоя загрязнения; измерение толщины покрытия. В этой связи особый интерес представляют результаты испытаний напряжением постоянного тока в условиях соляного тумана. При равных параметрах испытания (80 г/л — соленость тумана) гирлянды изоляторов из закаленного стекла с RTV покрытием показали себя более устойчивыми, чем  длинностержневые полимерные изоляторы, несмотря на ощутимо меньшие геометрические параметры. Возможно, в будущем изоляторы из закаленного стекла с RTV покрытием составят также серьезную альтернативу для полимерных изоляторов и на высоковольтных линиях постоянного тока.

Выводы

   Расширение рынка полимерных изоляторов обусловлено их общепризнанными преимуществами, это в первую очередь гидрофобность, что определило область их применения, на линиях ВЛ, подтвержденных сильным загрязнениям. Однако, наблюдаемый отказ этих изоляторов, с одной стороны, отсутствие надежного способа обнаружения скрытых дефектов, с другой стороны, ограничивают их повсеместное использование, особенно, на ответственных линиях.

   Использование изоляторов из закаленного стекла с RTV покрытием можно рекомендовать как альтернативное техническое решение применению полимерных изоляторов для изоляции ВЛ с интенсивными загрязнениями, характеризующееся простотою дефектирования. Частичные повреждения силиконового слоя, трактуемые как критические для полимерного изолятора, не представляют опасности для гирлянды в целом.

   Несмотря на относительно высокие цены на изоляторы с RTV покрытием, их применение позволит увеличить надежность линий электропередачи в районах со сложными климатическими условиями и интенсивным загрязнением по сравнению с традиционными тарельчатыми изоляторами. Отмечается тенденция, свидетельствующая о том,что изоляторы из закаленного стекла с силиконовым покрытием теперь выбирают не только для решения проблем загрязнения на существующих линиях,но с учетом сокращения средств на обслуживание, и на стадии проектирования новых ответственных линий.

Список литературы

1. Ravi S. Gorur  Investigation of Field Energized RTV Coated Porcelain Insulators – NGK Rev: Overseas Ed. – 1995, № 19, c. 34-37.

2. Cherney E.A., Kim S.H., Hackam R. The loss and recovery of hydrophobicity of RTV silicone rubber insulator coatings // IEEE Trans. Power. Deliv. – 1990 – 5, N3 – c. 1491-1499.

3. Ким Ен Дар, Пономарев П.Е.  Опыт эксплуатации кремнийорганического покрытия холодного отверждения на подстанциях энергосистем Украины//Электрические сети и системы – К., 2006 – № 3 – С. 32–35.

4. www.inmr.com/south-american-utilities-plan-live-line-replacement-program-solve-problems-composite-insulators/

5. www.inmr.com/coating-line-insulator-with-rtv-silicone/

6. www.inmr.com/silicone-coatings-toughened-glass-insulators/

7. www.sediver.com/…glass/Sediver_coated_insulators.html

Sedicoat, the Sediver RTV silicone coated glass insulators

8. M. Marzinotto, G. Lavecchia, M.R. Guarniere, A. Posati, M. Rebolini, J-M. George, S. Prat,, «DC-toughened glass insulators pre-coated with RTV silicone rubber – field returns from aged samples installed on HVDC lines», IEEE International Conference on Solid Dielectrics, Bologna, Italy, June 30 – July 4, 2013

Определение гидрофобности по Merriam-Webster

гидрофобия | \ ˌHī-drə-ˈfō-bik \

2 : не имеет сродства к воде

Что такое гидрофобный? — Определение из Corrosionpedia

Что означает гидрофобность?

Гидрофобность — свойство вещества, отталкивающего воду. Это означает отсутствие сродства к воде и склонность отталкивать или не впитывать воду. Гидрофобные молекулы, как правило, неполярные молекулы и группируются вместе. Масла и жиры гидрофобны.

Гидрофобные материалы часто не растворяются в воде или в любом растворе, который содержит в основном водную среду. Гидрофобные материалы часто используются для удаления нефти из воды, борьбы с разливами нефти и процессов химического разделения, которые требуют удаления неполярных веществ из полярных соединений.

Гидрофобные поверхности снижают скорость коррозии и поэтому используются для обеспечения устойчивости к коррозии.

Противоположность гидрофобному — гидрофильный, водолюбивый. Поверхностно-активные вещества содержат как гидрофобные, так и гидрофильные группы на одних и тех же молекулах.

Гидрофобность также может быть известна как гидрофобность.

Коррозионпедия объясняет гидрофобность

«Гидрофобный» относится к веществам, не растворяющимся в воде. Химические группы, которые делают вещества гидрофобными, включают цепи и кольца -Ch3- (углеводороды). Эти вещества не обладают способностью к водородной связи, а их свободная поверхностная энергия относительно мала. Вода не смачивает гидрофобные поверхности; скорее, капли остаются рассыпанными при высоких значениях краевого угла смачивания.

Гидрофобные молекулы, называемые гидрофобами, отталкивают водоемы и, поскольку гидрофобы неполярны, они притягивают другие нейтральные молекулы и неполярные растворители.К природным гидрофобам относятся алканы, жиры и масла.

Гидрофобные и супергидрофобные материалы обладают рядом уникальных функциональных свойств, а именно:

• Водонепроницаемость
• Коррозионная стойкость
• Устойчивость к биообрастанию и неорганическим и органическим загрязнителям
• Легкость протекания жидкости вблизи гидрофобных поверхностей

Материал ученые работали над использованием различных химикатов, чтобы изменить поверхностные свойства поверхностей, чтобы сделать их гидрофобными. Чтобы придать стеклу гидрофобные свойства, часто используются силаны. Подобные концепции гидрофобности применялись в красках, покрытиях и текстильных изделиях.

Например, супергидрофобные покрытия на нержавеющей стали 316L демонстрируют превосходную коррозионную стойкость в хлоридсодержащем растворе при комнатной температуре. Коррозию можно защитить, сделав поверхность гидрофобной, обнаружено, что гидрофобные поверхности сильно снижают скорость коррозии бетонной поверхности. Гидрофобные поверхности также важны для защиты поверхностей от повреждений водой и пятен.

Гидрофобные покрытия, используемые в основном в герметичных средах, которые не подвержены износу или чистке, например, в электронных компонентах и ​​ребрах теплопередачи кондиционеров, для защиты от влаги и предотвращения коррозии.

Недавний прогресс в понимании гидрофобных взаимодействий

Аннотация

Мы представляем здесь краткий обзор прямых измерений силы между гидрофобными поверхностями в водных растворах. В течение почти 70 лет исследователи пытались понять гидрофобный эффект (низкая растворимость гидрофобных растворенных веществ в воде) и гидрофобное взаимодействие или сила (необычно сильное притяжение гидрофобных поверхностей и групп в воде).После многих лет исследований того, как гидрофобные взаимодействия влияют на термодинамические свойства таких процессов, как образование мицелл (самосборка) и сворачивание белков, в 1980-х годах стали появляться результаты прямых измерений сил между макроскопическими поверхностями. Сообщенные диапазоны притяжения между различными подготовленными гидрофобными поверхностями в воде выросли с первоначально заявленного значения 80–100 Å до значений вплоть до 3000 Å. Недавние усовершенствованные методы подготовки поверхности и комбинация измерений с помощью аппарата поверхностных сил с визуализацией с помощью атомно-силовой микроскопии позволили объяснить дальнодействующую часть этого взаимодействия (при расстоянии> 200 Å), которое наблюдается между некоторыми поверхностями. Мы предварительно пришли к выводу, что только короткодействующая часть притяжения (<100 Å) представляет собой истинное гидрофобное взаимодействие, хотя количественное объяснение этого взаимодействия потребует дополнительных исследований. Хотя наша методика измерения силы не позволяла собирать надежные данные при разделении <10 Å, ясно, что в этом режиме должна действовать некоторая более сильная сила, если измеренная кривая энергии взаимодействия должна экстраполироваться на измеренную энергию адгезии по мере приближения разделения поверхности ноль (т.е., когда поверхности входят в молекулярный контакт).

Еще в 1937 г. (1) исследователи осознали сложность проблемы низкого сродства неполярных групп к воде и постулировали энтропийное происхождение эффекта из-за его сильной температурной зависимости. В знаменательной статье Фрэнка и Эванса (2) была сделана первая попытка предоставить подробную теорию гидрофобного эффекта. Франк и Эванс описали молекулы воды, перестраивающиеся в микроскопический «айсберг» вокруг неполярной молекулы, и обсудили энтропийные последствия этого «замораживания». Несколько лет спустя Клотц (3) разработал общую теорию связи между двумя неполярными молекулами, а в 1959 году термин «гидрофобная связь» был введен Каузманном (4) для описания тенденции к адгезии между неполярными группами белков. в водном растворе. Каузманн предположил, что эта связь, вероятно, была одним из наиболее важных факторов в стабилизации определенных свернутых конфигураций в нативных белках.

Хотя термин гидрофобная связь все еще используется сегодня, еще в 1968 году некоторые исследователи начали возражать против этого описания гидрофобного взаимодействия (5).Использование слова «связь» было сочтено неуместным, учитывая, что притяжение между неполярными группами лишено каких-либо характерных черт, которые отличают химические связи от сил Ван-дер-Ваальса. Несмотря на споры о семантике того, какую терминологию использовать, до конца 1960-х годов существовала идея, основанная в основном на работе Танфорда, Каузмана, Немети и Шераги (4, –10), что существует гидрофобная связь, рассматривается как спонтанная тенденция неполярных групп прилипать к воде, чтобы минимизировать их контакт с молекулами воды. Одним из наиболее озадачивающих аспектов гидрофобного эффекта при первом рассмотрении проблемы был тот факт, что большинство ученых привыкли думать о взаимодействиях и силах между частицами как о свойствах самих частиц, а не суспендирующей среде растворителя ( 11). В 1954 году Кирквуд (12) отметил, что роль молекул воды в среднем притяжении между неполярными группами может быть больше, чем роль прямого ван-дер-ваальсова взаимодействия между этими группами (12).

Вещи начали меняться в начале 1970-х, когда начали развиваться вычислительные техники, такие как методы Пратта и Чендлера (13), и простая, но привлекательная модель гидрофобной связи уже не могла согласовываться с тем, что было известно о физические свойства разбавленных растворов гидрофобных молекул в воде. Например, эксперименты за это время показали, что свободная энергия пропорциональна площади гидрофобной поверхности (14, 15). Вычислительные методы в сочетании с применением белковой инженерии для непосредственного изучения роли гидрофобных аминокислотных остатков в сворачивании белка продолжают давать доказательства, противоречащие традиционной интерпретации гидрофобного эффекта (16).Совсем недавно, по мере развития теории неоднородных жидкостей, стало ясно, что нет необходимости использовать какую-либо специальную структуру для воды, чтобы предсказать, что «на границах раздела будут происходить странные вещи» (17).

Проявления гидрофобного эффекта

На рис. 1 показан ряд систем, которые в значительной степени опосредованы гидрофобным эффектом или гидрофобным взаимодействием. Несколько исследований относительно низкой растворимости неполярных растворенных веществ в воде (и наоборот) показали, что сила взаимодействия намного больше, чем можно было бы ожидать от классической «теории Лифшица» сил Ван-дер-Ваальса.Более поздние теории, пытающиеся объяснить низкую растворимость простого неполярного растворенного вещества в воде (рис. a ) существенно используют молекулярную структуру воды (13, –20). Однако точная форма и химическая структура молекул растворенного вещества также важны, поскольку структура воды может быть очень чувствительной к локальной структуре растворенного вещества (21–23).

Инжир.1.

Проявления гидрофобного взаимодействия и гидрофобного эффекта. К ним относятся низкая растворимость гидрофобных растворенных веществ (например, масла) в воде и наоборот ( a ), сильная адгезия между твердыми гидрофобными поверхностями ( b ), явления обезвоживания, приводящие к большому краю контакта ( c ). ), гидрофобные загрязняющие вещества или загрязняющие вещества, адсорбирующиеся на границе раздела воздух-вода ( d ), образование мицелл ( e ), сворачивание белка ( f ) и поток через гидрофобные поверхности, что приводит к наблюдаемой длине проскальзывания твердого вещества — жидкая граница раздела ( г ).Длина проскальзывания b приблизительно связана с толщиной обедненного слоя δ через b ≈ 50δ (122).

Гидрофобное взаимодействие можно качественно понять как взаимодействие, которое вызывает агрегацию или кластеризацию гидрофобных фрагментов. Это взаимодействие проявляется многими обычно наблюдаемыми способами. Помимо низкой растворимости неполярных растворенных веществ в воде, гидрофобное взаимодействие отвечает за значительную работу адгезии между твердыми гидрофобными поверхностями (рис.1 b ) и является причиной быстрой коалесценции или флокуляции, которая обычно наблюдается в коллоидных системах гидрофобных жидких капель или твердых частиц. Гидрофобный эффект также можно увидеть в тонких пленках воды, обезвоживающих гидрофобные подложки, в результате чего образуется капля с большим краевым углом смачивания (рис. c ) (24–27) и тем фактом, что поверхность раздела воздух-вода без покрытия (воздух является «гидрофобным») легко адсорбирует гидрофобные частицы и загрязняющие вещества (поверхностно-активные вещества, полимеры и белки), которые присутствуют в атмосфере или рассеиваются в ней. вода (рис.1 д ) (28).

Ряд процессов самосборки управляется гидрофобным взаимодействием, включая образование мицелл (рис. 1 и ), везикулы и бислои (29, 30) и сворачивание белка (рис. ф ) (4, 31). Скорость сворачивания белка остается очень активной областью исследований и стала одной из основных мотиваций для развития понимания гидрофобного взаимодействия в масштабах молекулярной длины, как это было со времен пионерской работы Каузмана (4) и Танфорда ( 32).

рисунок 1 г — схематическое изображение воды, протекающей через гидрофобный канал. Для гидрофильных поверхностей или стен соблюдается классическое граничное условие без проскальзывания (длина проскальзывания b = 0) вплоть до контакта ( D = 0), но для гидрофобных стен длина проскальзывания b , как сообщается, составляет быть ненулевым. В доступной в настоящее время литературе сообщается о широком диапазоне измеренных длин проскальзывания от <20 нм до> 1 мкм, полученных с помощью множества различных методов, включая прибор для измерения поверхностных сил (SFA) и измерения потока в микроканале (33–48).Большой разброс результатов свидетельствует о том, что происхождение этой длины проскальзывания до сих пор не совсем понятно. Сложности возникают при сравнении экспериментальных результатов, которые включают «степень гидрофобности» поверхностей (как определено измерениями краевого угла), влияние шероховатости поверхности и скорости сдвига, а также возможное наличие слоя газа или воды с пониженной плотностью толщина δ на гидрофобной границе твердое тело – жидкость (рис. 1 г ), что также влияет на силы между поверхностями (обсуждаемые ниже).Большинство экспериментов обнаруживают длину проскальзывания в несколько десятков нанометров (43, 46, 47), что немного больше, чем предсказания численного моделирования (49).

Несмотря на значительный объем информации, полученной в результате этих исследований, они не обеспечивают силовой закон (профиль «сила-расстояние» или «энергия-расстояние») гидрофобного взаимодействия. Одним из самых мощных инструментов для изучения гидрофобности является прямое измерение силы между двумя гидрофобными поверхностями или молекулярными группами.До сих пор такие измерения были сосредоточены на взаимодействиях между макроскопическими или микроскопическими (но не наноскопическими) поверхностями, и следует отметить, что не было никаких указаний на то, что взаимодействия между макроскопическими гидрофобными поверхностями и между небольшими гидрофобными растворенными веществами или молекулярными группами должны быть количественными. то же самое (т. е. что закон силы «попарно аддитивен»). Отсутствие парной аддитивности снова отражает тот факт, что дискретных гидрофобных «связей» не существует.

Прямое измерение сил между гидрофобными поверхностями

Несмотря на большое количество исследований, проведенных за последние 20 лет, глубокое и количественное понимание происхождения и природы взаимодействия между гидрофобными поверхностями через воду и водные растворы остается труднодостижимым.Происхождение сильного и часто дальнодействующего притяжения между гидрофобными поверхностями было предметом значительного объема работ, однако в настоящее время не существует единой теории, которая могла бы охватить все экспериментальные результаты, которые сами по себе часто противоречат друг другу. Спустя годы после первоначальных экспериментов, проведенных Израэлачвили и Пашли в 1982 году (50, 51), становилось все более очевидным, что гидрофобная сила является более сложной, чем первоначально предполагалось. Любую попытку понять гидрофобное взаимодействие усложняет тот факт, что разные экспериментальные методы измерения силы и разные методы гидрофобизации приводят к разным измеряемым притяжениям.

На рис. 2 показаны характерные силовые кривые, полученные с использованием трех различных методов гидрофобизации (и измеренные с помощью трех разных методов). Как обсуждалось в обзоре Christenson и Claesson (52), подавляющее большинство сил, измеряемых между гидрофобными поверхностями, попадает в одну из трех показанных категорий. Рис. 2 a демонстрирует типичное взаимодействие между гладкими, стабильными, «хемосорбированными» гидрофобными поверхностями (53–56). Для этой системы притяжение не измеряется при приближении до тех пор, пока поверхности не «прыгают» в контакт с расстояния D _J <170 Å.Рис. 2 b показывает типичную силовую кривую для «физадсорбированных» поверхностей поверхностно-активного вещества, либо монослоев, осажденных по Ленгмюру-Блоджетт (LB), либо самоорганизующихся монослоев (54, 57–65). Эта система обычно демонстрирует силу притяжения, которая является дальнодействующей и биэкспоненциальной, причем дальнодействующая часть имеет длину затухания, отличную от ближней. Третий тип системы, показанный на рис. c , в случае многих химически силанированных поверхностей с большим углом смачивания.Такие поверхности демонстрируют силовую кривую с резкими ступенями, которые обычно интерпретируются как обусловленные существовавшими ранее мостиковыми нанопузырьками, которые также отображаются с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) (66–77).

Рис. 2.

Типичные кривые силы, измеренные между поверхностями, гидрофобизированными тремя различными методами. ( a ) Притяжение на коротких расстояниях между устойчивыми поверхностями.[Воспроизведено с разрешения исх. 54 (Copyright 1995, Американское химическое общество).] ( b ) Биэкспоненциальное притяжение на больших расстояниях между физадсорбированными или самоорганизующимися поверхностями поверхностно-активного вещества. ( c ) Ступенчатые кривые силы, указывающие на перекрытие нанопузырьков. [Воспроизведено с разрешения исх. 73 (Авторское право 1994, Американское химическое общество).]

Сужение области потенциальных моделей для объяснения притяжения между гидрофобными поверхностями осложняется трудностями в определении соответствующих параметров.Опубликованы, казалось бы, противоречивые данные о влиянии ионов электролита (59, 62, 73, 78–81) и температуры (82, 83). Тем не менее, удаление растворенного газа снижает диапазон притяжения, а также его величину, но только на больших расстояниях (81, –87). Также было показано, что удаление растворенного газа увеличивает устойчивость коллоидов (88) и эмульсий (89–92) к агрегации. Чрезвычайно дальнодействующие притяжения, измеренные между гидрофобной и гидрофильной поверхностями (93–97), также подняли вопросы о происхождении эффекта.На рис. 3 показаны эффекты деаэрации (удаления растворенного газа) (рис. 3). a ), увеличивая концентрацию одновалентного электролита (ионную силу) (рис. b ) и асимметрии (гидрофобно-гидрофильная система) (рис. c ), где в каждом случае «гидрофобная поверхность» представляла собой физисорбированный монослой двухцепочечного поверхностно-активного вещества диоктадецилдиметиламмонийбромида на слюде, в котором фрагмент DODA ⁺ (диоктадецилдиметиламмоний) адсорбируется на отрицательно заряженной поверхности слюды.Все данные были получены с использованием метода «динамического SFA», как описано в ссылках. 98 и 99, в которых расстояние между поверхностями регистрируется в реальном времени, когда поверхности сводятся вместе с постоянной скоростью движения. Эти данные затем могут быть использованы для расчета силы F ( D ), действующей между поверхностями на расстоянии D . Во всех представленных здесь результатах предполагалось граничное условие прилипания. Если бы на поверхности происходило скольжение ( b > 0), предположение о граничном условии прилипания ( b = 0) привело бы к расчетной силе, которая будет более привлекательной при малых расстояниях.

Рис. 3.

Влияние деаэрации ( a ), соли ( b ) и асимметрии (гидрофобно-гидрофильные взаимодействия) ( c ) на взаимодействие между поверхностями слюды, покрытой DODA. ( Верхний ) Кривые зависимости расстояния от времени. ( Нижний ) Кривые зависимости силы от расстояния для той же системы.

Для справки, каждая панель рис. 3 показывает силу, измеренную между двумя поверхностями, покрытыми DODA, в чистой (недеаэрированной) воде, представленной синими кружками. В этой системе поверхности начинают ускоряться от кривой F ( D ) = 0 (отсутствие молекулярной силы) при разделении поверхностей D ≈ 450 Å, что указывает на начало действия силы притяжения. На расстоянии всего> 200 Å вступает во владение значительно более сильная сила, и поверхности начинают свой прыжок в соприкосновение.Рис. 3 a , мы видим влияние деаэрации на эту систему. Как ранее сообщалось для этой системы (87), удаление растворенного газа устраняет только дальнодействующую часть силы. В данных о расстоянии от времени эффект деаэрации можно увидеть по кривой деаэрации, отклоняющейся от кривой F ( D ) = 0 при D ≈ 250 Å, а не на удвоенном расстоянии, и Кривая зависимости силы от расстояния, притяжение в деаэрированном корпусе выглядит намного ближе.Однако важно отметить, что две силовые кривые проходят почти идентичный путь на последних 100 Å перед контактом. Этот результат согласуется с тем, что наблюдается во всей литературе: удаление растворенного газа влияет только на дальнодействующую часть силы притяжения, оставляя ближнюю силу неизменной. Было высказано предположение, что эффект деаэрации является результатом связанного с этим увеличения pH раствора, а не прямым результатом отсутствия растворенного газа (100). Это увеличение pH увеличивает отталкивание двух слоев и, таким образом, приводит к очевидному снижению (гидрофобного) притяжения.

Практически идентичные силы, измеренные в аэрированной и деаэрированной воде при разделении поверхностей <100 Å, распространяются на весь путь до контакта ( D = 0). Таким образом, измеренные силы сцепления F _и , необходимые для отделения поверхностей от контакта с клеем, одинаковы в обоих случаях, со значениями F _ad / R ≈ −600 мН / м. Эти значения соответствуют межфазной энергии (натяжению), заданной уравнением Джонсона – Кендалла – Робертса (JKR) (101), что немного выше ожидаемого термодинамического значения для межфазного натяжения границы раздела углеводород-вода ≈50 мДж / м ² .

Один из примеров результата введения электролитов в систему показан на рис. 3. б . Опубликованные результаты по воздействию электролитов значительно различаются. Хотя некоторые исследователи сообщили об уменьшении диапазона и / или величины притяжения между гидрофобными поверхностями в растворах электролитов (59, 62, 79, 96, 102), другие сообщили об отсутствии заметного эффекта (54, 55, 81), а третьи сообщили об увеличении измеренного притяжения и адгезии (103, 104).Эти противоречивые результаты дают дополнительные примеры того, как методы поверхностной гидрофобизации играют важную роль. Для поверхностей DODA в 1 мМ NaNO ₃ наши измерения SFA (рис. b ) показывают, что поверхности испытывают легкое отталкивание при величине> 250 A, прежде чем начать свой прыжок в контакт с расстояния всего <150 A. Интересно отметить, что когда нормализованная кривая силы, F ( D ) / R , в растворе электролита вычитается из кривой в чистой воде, результирующая кривая является чисто экспоненциальной с длиной затухания λ = 92 Å, ожидаемая длина дебая для 1 мМ NaNO ₃ .Это согласие указывает на то, что дальнодействующее притяжение обусловлено двухслойными силами.

Взаимодействие между гидрофобной (слюда, покрытой поверхностно-активным веществом) и гидрофильной (голая слюда) поверхностью показано на рис. с . Опять же, в соответствии с ранее опубликованными отчетами об аналогичных «асимметричных» системах (93–97), при объединении двух поверхностей притяжение возникает с гораздо большего расстояния ( D, ​​ ≈ 1,250 Å), чем в симметричном случае ( D ≈ 450 Å), за которым следует большее расстояние «прыжка» и более сильная сила ближе к нему.Всегда было трудно найти удовлетворительное объяснение более сильного притяжения между гидрофобной и гидрофильной поверхностями, чем между двумя гидрофобными поверхностями, но недавние исследования, включающие АСМ-изображения, смогли объяснить этот эффект, а также другие ранее загадочные наблюдения. На рис. 4 показаны АСМ-изображения физадсорбированного (осажденного LB) слоя DODA на слюде (94) (рис. а ), слой бромида цетилтриметиламмония, самоорганизующийся на слюде (95) (рис.4 b ) и гидрофобная стеклянная поверхность, предположительно покрытая тонким слоем пузырьков (71) (рис. с ). Хотя поверхности, показанные на рис. 4 a и b оба были гладкими гидрофобными монослоями на воздухе, неоднородные бислои появились вскоре после того, как поверхности были погружены в воду. Из-за отрицательного заряда чистой слюды и положительного заряда головных групп поверхностно-активного вещества DODA ⁺ и CTA ⁺ (цетилтриметиламмоний) результирующие силы как в LB, так и в самоорганизующемся монослое являются притяжениями на большие расстояния. из-за электростатики, а не гидрофобности, возникающей из-за притяжения между положительно заряженными двухслойными пятнами и отрицательно заряженными слюдяными поверхностями или отверстиями на противоположной поверхности (94, 95).Рис. 4 c показывает AFM-изображение субмикроскопических, как сообщается, существовавших ранее нанопузырьков пара на гидрофобной поверхности. Поскольку каждый пузырек перекрывает две гидрофобные поверхности, возникает притягивающая капиллярная сила. Такой механизм будет создавать очень длинные ступенчатые кривые силы, такие как те, что показаны на рис. с .

Инжир.4.

АСМ-изображения гидрофобных поверхностей, полученных разными методами, в различных водных растворах. Показаны гидрофобные поверхности под водой, полученные LB-осаждением DODA на слюде ( a ) и самосборкой бромида цетилтриметиламмония на слюде ( b ). [ b воспроизведено с разрешения исх. 95 (Copyright 2005, Американское химическое общество).] ( c ) Нанопузырьки на гидрофобной стеклянной подложке. [Воспроизведено с разрешения исх.71 (Copyright 2002, Американское химическое общество).]

За последние 20 лет было опубликовано бесчисленное количество статей, касающихся возможных объяснений гидрофобного взаимодействия. В предлагаемых моделях использовались энтропийные эффекты, обусловленные молекулярной перестройкой воды вблизи гидрофобных поверхностей (13, 51, 57, 105), электростатическими эффектами (106, 107), коррелированными флуктуациями заряда (108, 109) или коррелированными дипольными взаимодействиями (96), перекрытие субмикроскопических пузырьков (66, 70–73, 77, 110, 111) и кавитация из-за метастабильности промежуточной жидкости (60, 61, 85, 91, 112–117).Схемы некоторых из этих моделей показаны на рис. 5.

Рис. 5.

Возможные механизмы дальнего притяжения между гидрофобными поверхностями. ( a ) Хотя слой истощения существует рядом с гидрофобной поверхностью, диапазон толщины этого слоя обычно составляет всего от одной до двух молекул воды, что позволяет предположить, что должна действовать только сила ближнего действия.( b ) Присутствие гидрофобного растворенного вещества (или иона) также влияет на локальную ориентацию окружающих молекул воды, эффект, который может распространяться на многие молекулярные слои в объеме. ( c и d ) Локальные флуктуации заряда на одной поверхности могут влиять на плотность заряда противоположной поверхности, вызывая притягивающее электростатическое взаимодействие на большие расстояния, подобное тому, которое наблюдается с неоднородными бислоями. ( e ) Когда нанопузырьки присутствуют на гидрофобных поверхностях, они могут объединяться, что приводит к привлекательному давлению Лапласа в большом диапазоне.

Кажется, что ни одна из существующих моделей не способна объяснить гидрофобное взаимодействие во всем диапазоне наблюдаемых расстояний, условий раствора, методов гидрофобизации, шероховатости и текучести поверхности, а также «гидрофобности» определенных химических групп. Некоторые исследователи предположили возможность того, что дальнодействующее притяжение, наблюдаемое во многих экспериментах, на самом деле является комбинацией дальнодействующей силы из-за множества системно-зависимых, негидрофобных (или лишь косвенно гидрофобно-зависимых) эффектов и короткого действия. диапазон, истинно гидрофобное взаимодействие (63, 118, 119).С помощью АСМ изображения (рис. 4) недавно было выяснено происхождение дальнодействующего ( D > 200 Å) притяжения между поверхностями, гидрофобизированными различными методами. Как показано на рис. 5 d , молекулярная перестройка в неоднородные бислои (двухслойные островки или непрерывные бислои с дырками) теперь, по-видимому, ответственна за дальнодействующее притяжение в случае многих LB-осажденных и самоорганизующихся поверхностей (94, 95). Уже в 1997 году Кристенсон и Яминский (119) отметили очевидную корреляцию между гистерезисом краевого угла смачивания и существованием дальнодействующего притяжения между гидрофобными поверхностями, наблюдение, которое согласуется с механизмом этой силы, который включает значительные молекулярные перестройки, когда первоначально гидрофобная поверхность контактирует с водой.Другой пример, в котором АСМ дало новое понимание происхождения дальнодействующей силы, измеренной между гидрофобными поверхностями, заключается в идее, что нанопузырьки могут быть ответственны за ступенчатое притяжение между многими высокогидрофобными (например, силанированными) поверхностями. Формирование таких пузырьков на гидрофобных поверхностях потребовало бы поверхностных дефектов, на которых пузырьки могли бы зародиться. Эдерт и Лидберг (118) пришли к выводу, что диапазон «истинного» гидрофобного взаимодействия составляет <200 Å после наблюдения дальнодействующего взаимодействия, которое, по-видимому, было результатом образования мостиковых нанопузырьков и вообще не связано напрямую с гидрофобностью поверхностей.Единственная сила, существующая между всеми типами гидрофобных поверхностей, остается ближним ( D <200 Å) притяжением.

Для исследования сил, действующих на близком расстоянии, без возможности осложнений, которые могут вызвать эффекты дальнего действия, подобные обсуждаемым выше, необходимы гидрофобные поверхности, которые должны быть гладкими, сплошными, без дефектов, на которых могут образовываться нанопузырьки, и стабильными. в воде. Одна такая система была ранее описана Вудом и Шармой (54, 55, 120) с использованием хемосорбированных монослоев октадецилтриэтоксисилана (ОТЕ) на активированной слюде, результаты которой показаны на рис.2 а . Используя метод скачка, исследователи смогли определить, что скачок произошел на некотором расстоянии <170 Å, но не смогли определить точное значение D . _J или измерьте силы во время прыжка (ниже D _J ) из-за экспериментальных ограничений этого метода. Использование аналогичной подготовки поверхности ^§ и метод динамической SFA, мы измерили силы и адгезию между поверхностями OTE, которые удовлетворяют всем вышеперечисленным критериям, включая стабильность, о чем свидетельствует гистерезис малого угла смачивания (θ _a = 110 °, θ _r = 93 °).

Измеренные силы (рис. 6) воспроизводились от первого прогона до всех последующих прогонов, независимо от количества времени между прогонами. Находим (ср. Рис. 6 b ), что для D > 150 Å притяжение мало или отсутствует, и что только на расстояниях <100 Å измеренная сила сливается со всеми ранее измеренными силами. Интересно, что средняя измеренная адгезия, F _ad / R = 1,100 ± 50 мДж / м ² , значительно выше, чем значение ≈500 мН / м, ожидаемое из теории Джонсона – Кендалла – Робертса (JKR) (уравнение.1) для гидрофобных поверхностей в воде, для которых γ _i = 45–54 мДж / м ² . Однако по полосам равного хроматического порядка было отмечено, что диаметр контакта со временем увеличивался, обычно увеличиваясь на одну треть от первоначального значения контакта в течение приблизительно первых 60 с после контакта. Согласно теории JKR, это увеличение площади означает, что γ _i увеличился в ≈2,4 раза после первоначального контакта и что начальное значение было ≈465 мДж / м ² , что соответствует γ _i = 49 ± 3 мДж / м ² , что находится в пределах ошибки ожидаемого термодинамического значения.Рис. 6 c также показывает экспоненциальное соответствие измеренного притяжения в последних 125 Å перед контактом. Подгонка хороша до D ≈ 10 Å, но ясно, что экспоненциальное притяжение не распространяется вниз до контакта: измеренные (и рассчитанные) адгезии значительно выше, чем предсказывается любой экстраполированной аппроксимацией экспоненциальной силы, поскольку показаны пунктирными линиями на рис. с .

Инжир.6.

Типичные данные для сил между поверхностями ОТЕ, нанесенными на активированную слюду. ( a и b ) Данные зависимости расстояния от времени ( a ) и силы от расстояния ( b ) для системы OTE по сравнению с данными в системе DODA. ( b Врезка ) Кривая силы в логарифмическом масштабе. ( c ) Кривая силы аппроксимируется экспоненциальной функцией, построенной вместе с измеренными и рассчитанными значениями адгезии.

Точки данных силовых кривых на рис. 6 показаны вплоть до расстояния ≈10 Å, с расстоянием скачка D _J = 130 Å. Как отмечалось выше, анализ силовых кривых для хемосорбированных поверхностей OTE по сравнению с таковыми для физадсорбированных поверхностей DODA в тех же условиях показывает, что на последних 100 Å притяжения почти идентичны. Это открытие представляет собой убедительное свидетельство идеи о том, что именно этот режим короткого действия представляет собой истинное гидрофобное взаимодействие.Видно, что притяжение в этом диапазоне экспоненциально до расстояний до 10 Å, ниже которого наблюдается явное начало действия значительно более сильной силы притяжения.

В этой системе также наблюдалась спонтанная кавитация пара и растворенного газа, начинающаяся сразу после контакта и быстро увеличивающаяся со временем, как показано вместе с соответствующей схемой на рис. 7. Такая «капиллярная конденсация» пара ожидается в ситуациях, когда угол смачивания составляет> 90 °.При разделении видно, что поверхности самопроизвольно отрываются от контакта на большое расстояние, при этом паровые полости сжимаются в один большой паровой мостик (рис.7 f ). Поскольку поверхности разделены на несколько микрометров, эта полость исчезает в течение нескольких секунд, и при последующих подходах не наблюдается скачков показателя преломления в полосах одинакового хроматического порядка, указывающих на задержавшиеся пузырьки. О спонтанной кавитации при контакте ранее сообщалось в случае фторуглеродных поверхностей (60), а затем и между поверхностями OTE (54), и это явное указание на высокогидрофобную природу поверхностей.АСМ-изображение этих поверхностей ОТЕ в воздухе показало гладкий слой на больших площадях (среднеквадратичная шероховатость ≈ 5 Å), но получение изображений под водой было затруднено из-за больших углов смачивания, что привело, как и следовало ожидать (121), к образованию паровые полости между высокогидрофобной поверхностью и умеренно гидрофобным наконечником АСМ. Затем вновь образованные пузырьки прикреплялись к наконечнику АСМ, что делало невозможным получение изображений.

Инжир.7.

Бахрома изображения равного хроматического порядка и сопутствующие схемы самопроизвольной кавитации при соприкосновении поверхностей ОТЕ. ( a — e ) Кавитация начинается после контакта и со временем увеличивается. ( f ) Единственная большая полость, которая остается после разделения.

Выводы

В представленной здесь работе мы суммировали предыдущие работы по гидрофобному эффекту и гидрофобному взаимодействию с акцентом на прямые измерения сил между макроскопическими гидрофобными поверхностями.Благодаря сочетанию формирования изображений AFM с прямыми измерениями силы (с использованием SFA или AFM) в последние годы было получено понимание происхождения измеряемого дальнего притяжения между гидрофобными поверхностями. В случае поверхностей физадсорбированных поверхностно-активных веществ эта комбинация методов показала, что дальнодействующее притяжение происходит из-за молекулярных перестроек, приводящих к электростатическому взаимодействию между (гидрофильными) поверхностями с участками как положительного, так и отрицательного заряда.В случае некоторых химически силанированных поверхностей дальнодействующее ступенчатое притяжение может быть вызвано субмикроскопическими нанопузырьками. В обоих случаях наблюдаемое дальнодействующее притяжение лишь косвенно связано с гидрофобностью поверхностей. С другой стороны, гладкие, стабильные поверхности ОТЕ не проявляют такого дальнодействующего притяжения при расстояниях> 150 Å. Во всей литературе притяжение на коротком расстоянии является единственной силой, наблюдаемой между всеми типами гидрофобных поверхностей, и мы сообщаем здесь, что силы как в системе ОТЕ, так и в системе физадсорбированной DODA почти идентичны на последних 100 Å.Эта сила приблизительно экспоненциальна в ограниченном режиме до ≈10 Å. Хотя наша методика измерения силы не позволяла собрать надежные данные на расстоянии <10 Å, ясно, что в этом режиме должна действовать некоторая более сильная сила, если сила, приближающаяся к нулю, D должна экстраполироваться на силу адгезии.

Было много дискуссий о двух режимах измерения силы между гидрофобными поверхностями: дальнодействующее притяжение на расстоянии> 200 Å, которое больше связано с методами подготовки поверхности, чем с гидрофобностью поверхностей, и ближнее притяжение на разделения <200 Å, что, как считается, содержит больше информации об истинном гидрофобном взаимодействии.Представленные здесь данные показывают, что на самом деле может существовать другой режим, который следует учитывать, <10 Å, в котором действует некоторая сила, более сильная, чем экспоненциальная сила притяжения на больших расстояниях.

Связь между гидрофобными силами, действующими между гидрофобными молекулами растворенного вещества и между макроскопическими гидрофобными поверхностями, является предметом значительного интереса в течение десятилетий. Хотя можно было бы ожидать, что эти два взаимодействия имеют общее происхождение, до сих пор не было простого способа количественно связать эти силы (например, в терминах парного аддитивного потенциала взаимодействия).

Благодарности

Эта работа была поддержана грантом Национального научного фонда DMR05-20415 и грантом Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства NAG3-2115.

Сноски

• ^‡ Кому следует направлять корреспонденцию. Эл. адрес: jacob {at} engineering.ucsb.edu

• Этот вклад является частью специальной серии инаугурационных статей членов Национальной академии наук, избранных 20 апреля 2004 г.

• Вклад авторов: E.E.M. и J.I. спланированное исследование; E.E.M. проведенное исследование; E.E.M. и J.I. проанализированные данные; и E.E.M., K.J.R. и J.I. написал газету.

• Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

• См. Сопроводительный профиль на странице 15736.

• ↵ ^§ Монослои ОТЕ были приготовлены осаждением LB.Вся стеклянная посуда, которая контактировала с ОТЕ, была очищена с помощью реагента Nochromix (Fisher Scientific, Питтсбург, Пенсильвания). Поверхности слюды обрабатывались плазмой воды аргона [10 мин при 450 мторр (1 торр = 133 Па)] непосредственно перед напылением. ОТЕ пропускали через политетрафторэтиленовый фильтр 0,2 мкм (Fisher Scientific) в смесь хлороформ: метанол 95: 5 с получением раствора с концентрацией 2 мг / мл для распределения для осаждения. Этот раствор наносили на субфазу воды Milli-Q (Millipore, Billerica, MA), pH которой сначала доводили до 2 путем добавления азотной кислоты.Осаждение производилось при давлении 30 мН / м, после чего образцы сушились в потоке чистого воздуха в течение 15 мин. Затем образцы перед использованием запекали в вакуумной печи при 100 ° C в течение 2 часов. Монослой одновременно наносили на образец из слюды во время каждого осаждения, и на этих образцах для испытаний на воздухе выполняли АСМ в режиме постукивания, чтобы определить фактическую шероховатость поверхностей, используемых в каждом эксперименте.

• Сокращения:

  AFM,

  атомно-силовая микроскопия;

  SFA,

  аппарат поверхностных сил;

  LB,

  Langmuir – Blodgett;

  DODA,

  диоктадецилдиметиламмоний;

  ОТЕ,

  октадецилтриэтоксисилан.

• © 2006 Национальная академия наук США

Что такое гидрофобность? — Определение и взаимодействие — Видео и стенограмма урока

Определение гидрофобного

Слово гидрофобный происходит от греческих корней hydro — (означает вода) и — фобия (означает страх или ненависть). Слово гидрофобный описывает тот факт, что неполярные вещества не соединяются с молекулами воды. Давайте подробнее рассмотрим это определение.Вода — это полярная молекула , что означает, что она несет частичный заряд между своими атомами. Кислород, как электроотрицательный атом, притягивает электроны каждой связи ближе к своему ядру, тем самым создавая более отрицательный заряд. Следовательно, любые материалы с зарядом, будь то отрицательный или положительный, смогут взаимодействовать с молекулами воды и растворяться. (Подумайте о том, как соль растворяется в воде. Это происходит из-за зарядов ионов натрия и хлора.)

Итак, по сути, гидрофобная молекула — это молекулы, которые не имеют заряда, что означает, что они неполярны.Из-за отсутствия заряда эти молекулы не имеют межзарядных взаимодействий, которые позволили бы им взаимодействовать с водой. Гидрофобные материалы часто не растворяются в воде или в любом растворе, который содержит в основном водную (водянистую) среду. Эта характеристика гидрофобности — или неполярности — важна для многих молекул, обнаруженных в природе, в других организмах и даже в наших собственных телах.

Примеры гидрофобных молекул и материалов

Воски

Воски являются практическими примерами гидрофобных молекул, которые используются в коммерческих и биологических целях из-за их способности сопротивляться взаимодействию с водой.Например, если вы когда-нибудь натирали машину воском, вы, вероятно, заметили, что после этого вода скатывается с краски и скатывается с нее. Это связано с тем, что нанесенный воск гидрофобен и не взаимодействует с водой. Воск в этом случае помогает удерживать воду подальше от поверхности автомобиля.

Коммерческие воски отталкивают воду, вызывая образование бисера.

С другой стороны, во многих биологических системах воски можно использовать и для других целей.Некоторые растения, например, используют воск для предотвращения утечки воды в результате испарения. Многие суккулентные растения, такие как алоэ, производят воск, который позволяет их тканям удерживать воду для биологического использования. Тем не менее, причина, по которой эти растения могут это делать, заключается в гидрофобности восков.

Растения алоэ используют воск для удержания воды.

Стероиды

Многие ключевые витамины и гормоны в организме являются стероидами, и эти молекулы неполярны.К ним относятся тестостерон, прогестерон и другие гормоны, производные от холестерина. Кроме того, к ним относятся витамины A, D, E и K, которые не растворяются в воде. (По совпадению, большинство молекул стероидов растворимы в жирах и липидах.) Это позволяет стероидным гормонам и витаминам дольше оставаться в организме и сохранять их для будущего использования в организме. Кроме того, гидрофобная природа этих молекул позволяет этим молекулам пересекать плазматическую мембрану и легко проникать в клетки организма.

Холестерин: предшественник стероидных гормонов

Краткое содержание урока

Слово «гидрофобный» происходит от греческих корней «гидро», означающих «вода», и «фобия», означающих «боязнь или ненависть». Другими словами, гидрофобность описывает тот факт, что неполярные вещества не соединяются с молекулами воды. Вода — это полярная молекула , что означает, что она несет частичный заряд между своими атомами. Гидрофобные молекулы — это молекулы, у которых нет заряда, то есть они неполярны. Гидрофобные материалы часто не растворяются в воде или в любом растворе, который содержит в основном водную (водянистую) среду. Масло, воски и стероиды — все это примеры гидрофобных материалов и молекул.

Словарь	Определения
Гидрофобный	гидро (вода) и фобия (боязнь или ненависть): неполярные вещества не сочетаются с молекулами воды
Полярная молекула	вода несет частичный заряд между своими атомами
Гидрофобные молекулы	неполярных или не имеющих заряда молекул
водный	водянистая среда

Результаты обучения

Внимательно изучите видеоурок, посвященный гидрофильным молекулам, чтобы вы могли позже:

• Разделите термин «гидрофобный» и дайте его определение
• Опишите, что такое гидрофобные молекулы
• Укажите некоторые гидрофобные примеры

Интерфейсы и движущая сила гидрофобной сборки

1

Safron, S.A. Статистическая термодинамика поверхностей, границ раздела и мембран Ch. 1–3 (Addison-Wesley, Reading, 1994).

Google ученый

2

Танфорд К. Гидрофобный эффект и организация живого вещества. Наука 200 , 1012–1018 (1978).

ADS CAS Статья Google ученый

3

Kauzmann, W. Некоторые факторы в интерпретации денатурации белка. Adv. Prot. Chem. 14 , 1–63 (1959).

CAS Google ученый

4

Танфорд, К. и Рейнольдс, Дж. Природные роботы: история белков Гл. 12 (Oxford Univ. Press, Oxford, 2001).

Google ученый

5

Танфорд, К. Как химики-белки узнали о гидрофобном факторе. Protein Sci. 6 , 1358–1366 (1997).

CAS Статья Google ученый

6

Дикс С., Крейн Дж., Пух, В. К. К., Финни, Дж. Л. и Сопер, А. К. Молекулярная сегрегация, наблюдаемая в концентрированном водно-спиртовом растворе. Nature 416 , 829–832 (2002).

ADS Статья Google ученый

7

Свуп, У. К. и Андерсен, Х. С. Метод молекулярной динамики для расчета растворимости газов в жидкостях и гидрофобной гидратации атомов инертного газа в водном растворе. J. Phys. Chem. 88 , 6548–6556 (1984).

CAS Статья Google ученый

8

Пратт, Л. Р. и Чандлер, Д. Теория гидрофобного эффекта. J. Chem. Phys. 67 , 3683–3704 (1977).

ADS CAS Статья Google ученый

9

Пратт, Л. Р. и Чендлер, Д. Гидрофобная сольватация несферических растворенных веществ. J. Chem. Phys. 73 , 3430–3433 (1980).

ADS CAS Статья Google ученый

10

Пратт, Л. Р. и Чендлер, Д. Гидрофобные взаимодействия и осмотические вторые вириальные коэффициенты для метанола в воде. J. Solution Chem. 9 , 1–17 (1980).

CAS Статья Google ученый

11

Чандлер Д. Введение в современную статистическую механику гл. 3, 5–7 (Oxford Univ. Press, Нью-Йорк, 1987).

Google ученый

12

Barrat, J. -L. И Хансен, Дж. -П. Основные понятия для простых и сложных жидкостей (Cambridge Univ. Press, Кембридж, 2003).

Забронировать Google ученый

13

Шарп, К. А., Николлс, А., Файн, Р. и Хониг, Б.Согласование величины микроскопических и макроскопических гидрофобных эффектов. Science 252 , 106–109 (1991).

ADS CAS Статья Google ученый

14

Эшбо, Х. С., Калер, Э. В. и Паулайтис, М. Э. «Универсальная» корреляция площади поверхности для молекулярных гидрофобных явлений. J. Am. Chem. Soc. 121 , 9243–9244 (1999).

CAS Статья Google ученый

15

Танфорд, К.Межфазная свободная энергия и гидрофобный эффект. Proc. Natl Acad. Sci. США 76 , 4175–4176 (1979).

ADS CAS Статья Google ученый

16

Bowron, D. T., Filipponi, A., Roberts, M. A. & Finney, J. L. Гидрофобная гидратация и образование гидрата клатрата. Phys. Rev. Lett. 81 , 4164–4167 (1998).

ADS CAS Статья Google ученый

17

Стиллинджер, Ф.H. Структура водных растворов неполярных растворенных веществ с точки зрения теории масштабных частиц. J. Solution Chem. 2 , 141––158 (1973).

CAS Статья Google ученый

18

Дилл, К. А. и Бромберг, С. Молекулярные движущие силы Гл. 16, 30 (Garland Science, Нью-Йорк, 2003).

Google ученый

19

Мерфи, К.П. Температуры гидратации и конвергенции: об использовании и интерпретации корреляционных графиков. Biophys. Chem. 51 , 311–326 (1994).

CAS Статья Google ученый

20

Лум, К., Чендлер, Д. и Уикс, Дж. Д. Гидрофобность в малых и больших масштабах. J. Phys. Chem. B 103 , 4570–4577 (1999).

CAS Статья Google ученый

21

Хуанг Д.М. и Чандлер, Д. Гидрофобный эффект и влияние притяжения растворенного вещества и растворителя. J. Phys. Chem. B 106 , 2047–2053 (2002).

CAS Статья Google ученый

22

Валквист А. и Берн Б. Дж. Компьютерное моделирование сил гидрофобной гидратации на сложенных друг на друга пластинах на близком расстоянии. J. Phys. Chem. 99 , 2893–2899 (1995).

CAS Статья Google ученый

23

Герштейн, М.И Линден-Белл, Р. М. Моделирование воды вокруг модельной белковой спирали. 1. Двумерные проекции структуры растворителя. J. Phys. Chem. 97 , 2982–2990 (1993).

CAS Статья Google ученый

24

Эшбо, Х. С. и Паулайтис, М. Е. Влияние размера растворенного вещества и взаимодействия растворенного вещества-вода с притяжением на структуру гидратационной воды вокруг гидрофобных растворенных веществ. J. Am. Chem. Soc. 123 , 10721–10728 (2001).

CAS Статья Google ученый

25

Хуанг Д. М., Гайсслер П. Л. и Чандлер Д. Масштабирование гидрофобных свободных энергий. J. Phys. Chem. B 105 , 6704–6709 (2001).

CAS Статья Google ученый

26

Ли К. Ю., Маккаммон Дж. А. и Россски П. Дж. Структура жидкой воды на протяженной гидрофобной поверхности. J. Chem. Phys. 80 , 4448–4455 (1984).

ADS CAS Статья Google ученый

27

Роулинсон, Дж. С. и Видом, Б. Молекулярная теория капиллярности гл. 8 (Оксфордский университет, Оксфорд, 1982).

Google ученый

28

Смит Р. и Танфорд С. Гидрофобность длинноцепочечных н-алкилкарбоновых кислот, измеренная по их распределению между гептаном и водными растворами. Proc. Natl Acad. Sci. США 70 , 289–293 (1973).

ADS CAS Статья Google ученый

29

Tanford, C. Гидрофобный эффект: образование мицелл и биологических мембран Ch. 1–4, 8 (Wiley, Нью-Йорк, 1980).

Google ученый

30

Рашке, Т. М., Цай, Дж. И Левитт, М. Количественная оценка гидрофобного взаимодействия путем моделирования агрегации небольших гидрофобных растворенных веществ в воде. Proc. Natl Acad. Sci. США 98 , 5965–5969 (2001).

ADS CAS Статья Google ученый

31

TenWolde, P. & Chandler, D. Высыхание вызвало коллапс гидрофобного полимера. Proc. Natl Acad. Sci. США 99 , 6539–6543 (2002).

ADS CAS Статья Google ученый

32

Чандлер Д., Уикс, Дж. Д. и Андерсен, Х. С. Картина Ван-дер-Ваальса жидкостей, твердых тел и фазовых превращений. Наука 220 , 787–794 (1983).

ADS CAS Статья Google ученый

33

Скатена, Л. Ф. и Ричмонд, Г. Л. Ориентация, водородные связи и проникновение воды на границе раздела органических веществ и воды. J. Phys. Chem. B 105 , 11240–11250 (2001).

CAS Статья Google ученый

34

Шарик, П.Химическая физика: как сохранить сухость в воде. Nature 423 , 25–26 (2003).

ADS CAS Статья Google ученый

35

Jensen, T. R. et al. Вода, контактирующая с протяженными гидрофобными поверхностями: прямое свидетельство слабого обезвоживания. Phys. Rev. Lett. 90 , 086101.1–086101.4 (2003).

ADS Статья Google ученый

36

Чжан, Х., Чжу Ю. и Граник С. Гидрофобность на границе раздела янус. Наука 295 , 663–666 (2002).

ADS CAS Статья Google ученый

37

Larson, R.G. Структура и реология сложных жидкостей Ch. 12 (Oxford Univ. Press, Нью-Йорк, 1999).

Google ученый

38

Майбаум, Л., Ужин, А. Р. и Чандлер, Д.Мицеллообразование и гидрофобный эффект. J. Phys. Chem. B 108 , 6778–6781 (2004).

CAS Статья Google ученый

39

Финни, Дж. Л. Уотер? Что в этом особенного? Фил. Пер. R. Soc. Лондон. B 359 , 1145–1165 (2004).

CAS Статья Google ученый

40

Tanford, C. Бен Франклин успокоил волны Ch.14 (Oxford Univ. Press, Oxford, 2004).

Google ученый

41

Хуанг Д. М. и Чандлер Д. Образование каверн и переход при высыхании в жидкости Леннарда-Джонса. Phys. Ред. E 61 , 1501–1506 (2000).

ADS CAS Статья Google ученый

42

Болхуис, П. Г. и Чандлер, Д. Отбор проб кавитации на пути перехода между сольвофобными поверхностями на молекулярном уровне. J. Chem. Phys. 113 , 8154–8160 (2000).

ADS CAS Статья Google ученый

43

Уикс, Дж. Д. Связь локальной структуры с образованием границы раздела: теория Ван-дер-Ваальса неоднородных жидкостей в молекулярном масштабе. Annu. Rev. Phys. Chem. 53 , 533–562 (2002).

ADS CAS Статья Google ученый

44

Саутхолл, Н.T. & Dill, K. A. Механизм гидрофобной сольватации зависит от радиуса растворенного вещества. J. Phys. Chem. B 104 , 1326–1331 (2003).

Артикул Google ученый

45

Биндер К., Ландау Д. П. и Ферренберг А. М. Смачивание и капиллярная конденсация решеточных газов в геометрии тонкой пленки. Бер. BunsenGes. Phys. Chem. 98 , 340–345 (1994).

CAS Статья Google ученый

46

Майбаум, Л.И Чандлер Д. Крупнозернистая модель воды, заключенной в гидрофобную трубку. J. Phys. Chem. B 107 , 1189–1193 (2003).

CAS Статья Google ученый

47

Smit, B. et al. Компьютерное моделирование границы раздела вода / масло в присутствии мицелл. Nature 348 , 624–625 (1990).

ADS CAS Статья Google ученый

48

Ву, Д., Чандлер Д. и Смит Б. Электростатическая аналогия для сборок поверхностно-активных веществ. J. Phys. Chem. 96 , 4077–4083 (1992).

CAS Статья Google ученый

49

Ларсон, Р. Дж. Моделирование микроструктурных переходов в системах поверхностно-активных веществ методом Монте-Карло. J. Chem. Phys. 96 , 7904–7918 (1992).

ADS CAS Статья Google ученый

50

Garde, S., Хаммер, Г., Гарсия, А. Е., Паулайтис, М. Е. и Пратт, Л. Р. Происхождение энтропийной конвергенции при гидрофобной гидратации и сворачивании белка. Phys. Rev. Lett. 77 , 4966–4968 (1998).

ADS Статья Google ученый

51

Мерфи, К. П., Привалов, П. Л. и Гилл, С. Дж. Общие черты разворачивания белков и растворения гидрофобных соединений. Наука 247 , 559–561 (1990).

ADS CAS Статья Google ученый

52

Хуанг Д. и Чандлер Д. Зависимость гидрофобных эффектов от температуры и длины и их возможные последствия для сворачивания белков. Proc. Natl Acad. Sci. США 97 , 8324–8327 (2000).

ADS CAS Статья Google ученый

53

Болдуин Р. Л. Температурная зависимость гидрофобного взаимодействия при сворачивании белка. Proc. Natl Acad. Sci. США 83 , 8069–8072 (1986).

ADS CAS Статья Google ученый

54

Gerstein, M. & Chothia, C. Упаковка на границе раздела белок-вода. Proc. Natl Acad. Sci. США 93 , 10167–10172 (1996).

ADS CAS Статья Google ученый

55

Леви Ю. и Онучич Дж.Н. Вода и белки: отношения любви и ненависти. Proc. Natl Acad. Sci. США 101 , 3325–3326 (2004).

ADS CAS Статья Google ученый

56

Рабани, Э., Райхман, Д. Р., Гайсслер, П. Л. и Брус, Л. Е. Самосборка наночастиц, опосредованная сушкой. Nature 426 , 271–274 (2003).

ADS CAS Статья Google ученый

57

Лум, К.И Чандлер, Д. Фазовая диаграмма и свободные энергии паровых пленок и трубок для замкнутой жидкости. Внутр. J. Thermophys. 19 , 845–855 (1998).

CAS Статья Google ученый

58

Паркер, Дж. Л., Клаессон, П. М. и Аттард, П. Пузырьки, полости и дальнее притяжение между гидрофобными поверхностями. J. Phys. Chem. 98 , 8468–8480 (1994).

CAS Статья Google ученый

59

Френкель Д.И Смит Б. Понимание молекулярного моделирования 2-е изд. Гл. 7 (Academic, Сан-Диего, 2002 г.).

MATH Google ученый

60

Хаммер, Г., Гарде, С., Гарсия, А. Э., Похорилл, А. и Пратт, Л. Р. Модель теории информации гидрофобных взаимодействий. Proc. Natl Acad. Sci. США 93 , 8951–8955 (1996).

ADS CAS Статья Google ученый

61

Моррисон, Т.Дж. И Биллетт Ф. Высаливание неэлектролитов. Часть II. Эффект вариации неэлектролитов. J. Chem. Soc. 3819–3822 (1952).

62

Чендлер, Д. Гауссовская модель поля флюидов в приложении к полимерным флюидам. Phys. Ред. E 48 , 2898–2905 (1993).

ADS CAS Статья Google ученый

63

Сильверштейн, К. А. Т., Хаймет, А. Д.Дж. И Дилл, К. А. Прочность водородных связей в жидкой воде и вокруг неполярных растворенных веществ. J. Am. Chem. Soc. 122 , 8037–8041 (2000).

CAS Статья Google ученый

64

Галлахер, К. Р. и Шарп, К. А. Новый взгляд на изменения теплоемкости при гидрофобной сольватации. J. Am. Chem. Soc. 125 , 9853–9860 (2003).

CAS Статья Google ученый

65

Галликкио, Э., Кубо, М. и Леви, Р. М. Энтальпия-энтропия и полостное разложение свободных энергий гидратации алкана: численные результаты и значение для теорий гидрофобной сольватации. J. Phys. Chem. B. 104 , 6271–6285 (2000).

CAS Статья Google ученый

66

Маккей Д. и Шиу В. Ю. Критический обзор констант закона Генри для химических веществ, представляющих интерес для окружающей среды. J. Phys. Chem.Ref. Данные 10 , 1175–1199 (1981).

ADS CAS Статья Google ученый

67

Ben-Naim, B. Гидрофобные взаимодействия Ch. 3 (Пленум, Нью-Йорк, 1980).

Забронировать Google ученый

68

Mackay, D., Shiu, W. Y. & Ma, K. C. Иллюстрированный справочник по физико-химическим свойствам и экологической судьбе органических химикатов Vol. III , 117, 170 (CRC Press, Boca Raton, 1993).

Google ученый

Гидрофобность: две стороны воды

Вода и масло, как известно, несовместимы: термин «гидрофобные» (водобоязненные) обычно используется для описания веществ, которые, как и масло, не смешиваются с водой. Хотя может показаться, что вода отталкивает масло, на самом деле разделение масла и воды в условиях окружающей среды происходит не из-за отталкивания между водой и молекулами масла, а из-за особенно благоприятной водородной связи между молекулами воды.Каждая молекула воды может участвовать в четырех таких связях, разделяя два своих атома водорода с двумя соседними молекулами воды и разделяя два дополнительных атома водорода, связанных с двумя другими соседями. Лед представляет собой тетраэдрически упорядоченный массив, а жидкая вода — неупорядоченная сеть таких молекул с водородными связями.

Молекулы нефти и воды на самом деле притягиваются друг к другу, но не так сильно, как притягивает сама себя вода. Таким образом, смешивание достаточного количества масла с водой приводит к снижению благоприятного сцепления.Сильное взаимное притяжение между молекулами воды вызывает отделение нефти от воды и приводит к эффективному притяжению нефти и нефти, точно так же, как группы людей разделяются, когда одна подгруппа предпочитает объединяться с себе подобными. Это вызванное водой притяжение между молекулами масла называется гидрофобным взаимодействием.

В 1950-х годах Вальтер Каузманн определил гидрофобные взаимодействия как основной источник стабильности белка. Белки представляют собой цепочки аминокислот, которые складываются в конкретные функциональные трехмерные структуры, которые определяются порядком аминокислотной последовательности.Каузманн рассуждал, что, поскольку аминокислоты являются либо водоподобными, либо маслоподобными, данная линейная последовательность будет складываться в структуру, которая лучше всего отделяет маслоподобные аминокислоты от воды. Позже, когда белковые структуры были выведены с помощью рентгеновской кристаллографии, общие предсказания Каузмана оказались верными. Тем не менее, последующие попытки количественно оценить его идеи путем определения единственного параметра или функции, характеризующей силу гидрофобных взаимодействий, оказались безуспешными.

Закрытие рядов: сильная водородная сеть (тонкие линии) воды может исключать другие виды.

Эта трудность связана с масштабами длины. При правильных условиях может проявиться гидрофобность традиционного сорта Каузмана, но только для больших масляных поверхностей в воде. Другое, более слабое гидрофобное взаимодействие происходит для небольших скоплений молекул масла. Поскольку взаимное притяжение между молекулами воды настолько велико, взаимодействия вода-вода сохраняются даже в присутствии небольших маслянистых частиц, возможно, одной алкановой цепи с, скажем, 10 или меньше атомов углерода. Водородная связь просто идет вокруг гидрофобных частиц.В непосредственной близости от масляных молекул возможные конфигурации водородных связей могут быть ограничены, но общее количество водородных связей остается относительно неизменным. Таким образом, стоимость гидратации небольшого гидрофобного растворенного вещества больше связана с количеством способов образования водородных связей, чем с их прочностью. То есть свободная энергия сольватации системы в основном энтропийная, а не энтальпийская. Однако эта геометрическая картина нарушается для протяженной масляной области, потому что не все водородные связи могут сохраняться вблизи ее поверхности (см. Рисунок).Таким образом, природа гидрофобности изменяется, когда размер масляной поверхности истощает количество водородных связей. Этот энергетический эффект — потеря водородных связей — вызывает отделение масла от воды.

Какой размер молекулы характеризует этот кроссовер между малой и большой гидрофобной гидратацией растворенного вещества? Для небольшого растворенного вещества, где водородная связь возникает рядом с ним, количество молекул воды, на которые влияет растворенное вещество, пропорционально объему растворенного вещества, и, следовательно, свободная энергия сольватации также пропорциональна этому объему.Энергии свободной сольватации этана, пропана и других подобных молекул показывают, что константа пропорциональности составляет примерно 1 × 10 ⁸ джоулей на кубический метр.

Напротив, свободная энергия большого растворенного вещества с протяженной гидрофобной поверхностью пропорциональна площади поверхности раздела между растворенным веществом и водой. Здесь константа пропорциональности может быть оценена по поверхностному натяжению границ раздела нефть-вода — примерно 6 × 10 ⁻² джоулей на квадратный метр.Таким образом, когда интерфейс сборки простирается за пределы 1 нанометра, энергетические затраты на сборку гидрофобных единиц значительно более выгодны, чем энтропийные затраты на их разделение. Однако гидрофобная стабилизация небольших сборок недостаточна для преодоления теплового перемешивания.

Переход к сборке гидрофобных единиц включает зарождение границы раздела с разорванными водородными связями, например, между водой и ее паром. Сборка гидрофобных структур требует удаления воды из областей между этими группами; это то же самое, что испарение.Следовательно, чем ближе вода к фазовому переходу жидкость-пар, тем сильнее тенденция к гидрофобной сборке. Я считаю, что это объясняет, почему белки денатурируются под действием холода и высокого давления: как понижение температуры, так и повышение давления отводят воду от ее фазового перехода жидкость-пар. Кроме того, повышение температуры увеличивает свободную энергию сольватации небольших разобранных гидрофобных единиц, поскольку затраты на гидратацию являются энтропийными для таких растворенных веществ, но это снижает свободную энергию сольватации более крупных маслянистых кластеров, поскольку здесь затраты являются энтальпийными.Наконец, в водных растворах без сборок размером 1 нанометр и более, таких как смеси воды и простых спиртов, водородные связи сохраняются так же, как и в чистой воде.

Без водной среды не могут происходить гидрофобные взаимодействия. Но бесплатные энергетические затраты на растворение больших маслянистых молекул в воде огромны. Однако эту стоимость можно успешно компенсировать, установив достаточное количество полярных и заряженных групп. Таким образом, большие маслянистые молекулы могут легко смешиваться с водой, и тогда природа может использовать явление, ответственное за разделение фаз, для создания локальных скоплений масляных структур.Эти сборки могут существовать в масштабе вплоть до нанометров (но не меньше), потому что этот пороговый размер совпадает с критическим радиусом, при котором масло отделяется от воды. Похоже, это объясняет существование кооперативности во время сворачивания белка, идея, которая заслуживает экспериментального изучения.

Kauzmann, W. Adv. Prot. Chem. 14, 1–63 (1959).

Стиллинджер, Ф. Х. J. Solut. Chem. 2, 141–158 (1973).

Лум, К., Чандлер, Д.& Weeks, J. D. J. Phys. Chem. B 103, 4570–4577 (1999).

Болл, P. H ₂ O: Биография воды (Феникс, Лондон, 1999).

Танфорд К. и Рейнольдс Дж. Природные роботы: история белков (Oxford Univ. Press, 2001).

Информация об авторе

Принадлежности

1. Химический факультет Калифорнийского университета, Беркли, 94720, Калифорния, США

   Дэвид Чендлер

Об этой статье

Цитируйте эту статью

Chandler, D.Гидрофобность: две стороны воды. Nature 417, 491 (2002). https://doi.org/10.1038/417491a

Скачать цитату

Поделиться этой статьей

Все, с кем вы поделитесь следующей ссылкой, смогут прочитать это содержание:

Получить ссылку для совместного использования

К сожалению, в настоящее время ссылка для совместного использования недоступна доступно для этой статьи.

Предоставлено инициативой по обмену контентом Springer Nature SharedIt

Дополнительная литература

• Механистическая корреляция между инфильтрацией воды и гидрофильностью каркаса в цеолитах MFI

  • Маттео Фазано
  • , Алессио Бевилаква
  • , Элиодоро Кьяваццо
  • , Томас Хумплик
  • и Пьетро Азинари

  Научные отчеты (2019)

• Мониторинг гидрофобной агрегации в реальном времени показывает критическую роль кооперативности в гидрофобном эффекте.

  • Лиго Цзян
  • , Сицинь Цао
  • , Питер Пак-Ханг Чунг
  • , Сяоянь Чжэн
  • , Крис Вай Тунг Люн
  • , Цянь Пэн
  • , Чжиган Шуай
  • , Бен Чжун Тан
  • , Шууай Яо
  • и Xuhui Huang

  Nature Communications (2017)

• Взаимодействие CCl4 с Ng (Ng = He, Ne, Ar), O2, D2O и ND3: колебательные энергии, спектроскопические константы и теоретические расчеты

  • Руяго М.де Оливейра
  • , Луис Ф. Ронкаратти
  • , Луис Гильерме М. де Маседо
  • и Рикардо Гаргано

  Журнал молекулярного моделирования (2017)

• Механизмы регулирования скорости фотодеградации 5-гидроксиметилфурфурола

  • Карла Агилар
  • , Альфонсо Гарвин
  • , Эбнер Азуара
  • и Альберт Ибарз

  Технологии пищевых продуктов и биотехнологий (2016)

• Сборка коллоидного кремнезема с помощью центрифугирования в без трещин и переносимые пленки с перестраиваемой кристаллической структурой

  • Вен Фэн
  • , Мин Чен
  • , Шу Ян
  • и Лимин Ву

  Научные отчеты (2015)

Гидрофобность — обзор | Темы ScienceDirect

Интеллектуальные покрытия с «активной – пассивной» антикоррозионной активностью: интеллектуальные супергидрофобные свойства

Гидрофобность и супергидрофобность являются важными свойствами поверхности для защиты от коррозии.Они приводят к отталкиванию воды и электролитов на водной основе, предотвращают обледенение, биокоррозию и могут уменьшить образование отложений. Эффект листьев лотоса — один из самых известных прототипов супергидрофобности. Такие смачивающие свойства могут быть достигнуты либо путем изменения состава, структуры или морфологии / топографии внешних слоев покрытия, либо путем инкапсулирования активных агентов (Wang et al ., 2010). Некоторые случаи рассматриваются ниже.

Например, микрокапсулирование гидроксида кальция показало хорошие супергидрофобные свойства.Обработка капсул стеаратом калия и диффузия гидроксида кальция приводили к образованию слоя наночастиц стеарата кальция на пористой структуре оболочки капсул. Преимуществом этого метода является низкая стоимость и возможность масштабирования, а также гибкость использования различных подложек (Wang et al ., 2010). Капсулы из пористого диоксида кремния были изучены для аналогичной цели и оказались очень эффективными для создания супергидрофобных поверхностей для различных применений (Wang et al ., 2010; Deng et al ., 2011), особенно для коррозионных защитных покрытий.

Хуанг и др. . (2013) сообщили о приготовлении супергидрофобного композиционного покрытия, состоящего из сополимеров стирола, метилметакрилата и наночастиц диоксида кремния, поверхность которых предварительно была модифицирована гексаметилдисилазаном. Метод очень перспективен для крупносерийного производства покрытий для металлических деталей.

Капсулы из полимочевины, модифицированные аминосиланами, использовали для инкапсулирования гидрофобного льняного масла.Полученные капсулы были включены в полиуретановое покрытие для стали. Было обнаружено, что приготовленное покрытие демонстрирует улучшенную коррозионную стойкость из-за попадания льняного масла в микротрещины (Tatiya et al ., 2013). Льняное масло также может подвергаться окислительной полимеризации, что создает дополнительный эффект самовосстановления (Suryanarayana et al ., 2008). Льняное масло также можно использовать для модификации полимерных матриц путем непосредственного смешивания его с полимерной композицией для улучшения защитных свойств (Tatiya et al ., 2013; Сурьянараяна и др. , 2008; Бура и др. , 2012; Арауджо и др. , 2010). Стоит отметить, что льняное масло производится в больших масштабах и является натуральным экологически чистым продуктом.

Капсулы из полианилина могут служить носителями окислительно-восстановительного потенциала. Это свойство было изучено Lv et al . (2013) в гидрофобной системе. Гидрофобный агент, полидиметилсилоксан, был инкапсулирован в полианилин. Спусковым механизмом для высвобождения целебного агента являются окислительно-восстановительные реакции.Было обнаружено, что высвобождение стимулируется восстановлением и замедляется окислением. Такие капсулы продемонстрировали хорошую стабильность в акрилатных покрытиях.

Золь-гель — универсальный метод подготовки гидрофобных или супергидрофобных поверхностей. Лян и др. . (2014) предложили формирование супергидрофобных слоев на алюминиевых подложках с использованием последовательных реакций гидролиза и конденсационной полимеризации органосиланов в качестве сопредшественников и аммиака в качестве катализатора. Это приводит к образованию сферических частиц на основе диоксида кремния с клубничной иерархической микроструктурой, которая может устанавливать ковалентные связи между виниловыми группами и поверхностью природного алюминия.Поверхность имела краевые углы, близкие к 150 ° C, и покрытие обеспечивало хорошую защиту от коррозии.

Частицы кремнезема успешно используются в качестве носителей гидрофобных агентов. Прозрачные золь-гелевые покрытия были модифицированы золями из полых наночастиц диоксида кремния, наполненных 3-аминопропилтриэтоксисиланом, и после термической обработки полученное покрытие проявляло супергидрофобные свойства (Xu and He, 2012). Тот же метод был использован для функционализации наночастиц диоксида кремния виниловыми группами, которые проявляют стабильность в кислой среде (Shang et al ., 2013).

Фторирование поверхности покрытия — перспективный подход для создания супергидрофобных покрытий. Капсулы из частиц, модифицированных фторсодержащими добавками, описаны в (Brassard et al ., 2011; Wankhede et al ., 2013). Брассар и др. . (2011) сообщают о фторированном диоксиде кремния, который при включении в покрытие значительно улучшает его гидрофобность. Было предложено модифицировать наночастицы, существующие в структуре золь-гелевого покрытия, с помощью фторполимерных эмульсий, и полученные покрытия демонстрируют высокие водоотталкивающие свойства в дополнение к коррозионной стойкости и хорошей адгезии (Wankhede et al ., 2013). Мезопористые частицы кремнезема были предложены в качестве резервуаров для октадециламина, супергидрофобной молекулы. Для лучшего контроля высвобождения поверхность частиц была покрыта полидофамином. Эта молекула показала химическую реактивность в более широком диапазоне pH, характеризуется обратимыми циклами самовосстановления и обеспечивает улучшенную диспергируемость кремнезема в органических матрицах (Liu et al ., 2012).

Модификация лакокрасочных систем углеродными нанотрубками и нановолокнами позволяет получать наноструктурированные поверхности с одновременным улучшением механических свойств.Эти добавки также могут быть функционализированы фторсиланами для улучшения гидрофобности поверхности. Использование этих добавок в антикоррозионных красках также обеспечивает противообрастающий эффект окрашенным поверхностям, контактирующим с морской водой (l’darkhanova et al ., 2012).

В дополнение к гидрофобности покрытия для антикоррозионной защиты таких металлических поверхностей, как морские транспортные средства, морские платформы и ветряные турбины, также должны обладать дополнительными функциями для улучшения других свойств, которые являются ключевыми для продления срока службы этих систем: снижение сопротивления , защита от обрастания, обледенения и защиты от пятен.Супергидрофобные полиуретановые покрытия, модифицированные сополимерами перфторалкилметакрила на водной основе и монтмориллонитовой глиной, наносили на алюминиевые детали, которые должны были использоваться в экстремальных условиях. Эти свойства были также испытаны под нагрузкой, при которой они не сильно пострадали, эффективно защищая от коррозии конструкционные материалы с покрытием (Steele et al .