Funkční vlastnosti superhydrofóbních textilií

Muhammad Zaman Khan, M.Sc.

Doctoral thesis

Functional Properties of Superhydrophobic Textiles

Abstract:

V posledních desetiletích se vědci snaží napodobovat přírodu tak, že připravují super hydrofobní povrchy různých materiálů, které mají nesmáčivé projevy. Tyto materiály nacházejí mnoho různých aplikací v řadě oborů a výrobků. Příkladem jsou kosmická technika, vojenský a automobilový průmysl, biomedicínské obory a strojírenství, čidla, speciální oděvy atd. Tato disertační práce se zabývá vývojem superhydrofobních povrchů s multifunkčními projevy (tj. UV ochrana, samočištění, separace olej / voda atd.) pomocí levných, jednoduchých a ekologicky orientovaných technik. Je využito ukládání částic popílku, strukturovaných nanočástic TiO2 a ZnO s následnou silanizací. V první studii je navržen jednoduchý a levný postup ke zlepšení ochrany proti UV záření a získání superhydrofobních vlastností bavlněných tkanin povrchovým nánosem mechanicky aktivovaných částic popílku. Maximální UV blokování bylo pozorováno pro 3 hmotnostní % popílku, kde propustnost UV klesla ze 14,19% pro neošetřené textilie na 0,11% pro upravené textilie. Po následné silanizaci pomocí trimethoxy (oktadecyl) silanu (OTMS) byl kontaktní úhel pro vodu zvýšen na 143o, 147o respektive 153o pro koncentrace 1, 2 a 3 hmotnostní % popílku. Z teorie Cassie-Baxtera byl odhadnut podíl nesmočených vzduchových prostor (kapes) 43%, 55% a 67% pro 1, 2 a 3 hmotnostní % popílku. Kromě toho upravené textilie umožňovaly oddělení olejové vrstvy, kapiček oleje ve vodě nebo směsi oleje a vody. Účinnost separace 98%, 96%, 97% a 95% byla získána pro vybrané modelové oleje, toluen, n-hexan, chloroform a petroléter. Ve druhé studii byl realizován růst částic TiO2 tvaru nano květin na povrchu polyesterových tkanin pomocí dvou stupňového procesu sol-gel a hydrotermálního působení. Ke studiu účinku izopropoxidu titanu (TTIP) byly použity skenovací elektronová mikroskopie, EDS analýza, Ramanova spektroskopie a rentgenová difrakce. Pro vyhodnocení topografie povrchu a drsnosti byla použita mikroskopie AFM. Polyesterové textilie s nánosem TiO2 tvaru nano květin byly následně silanizovány pomocí trimetoxy (oktadecyl) silanu s cílem přípravy samočistících textilií. Fyzikální samočisticí schopnosti byly zkoumány na základě měření superhydrofobicity pomocí kontaktního úhlu. Pro dávku 2 ml TTIP byl nalezen maximální statický kontaktní úhel 160,1° a minimální úhel skoulení kapky (roll off) 3o. Pro potvrzení fotokatalytického chemického samočisticího chování byla hodnocena rychlost degradace barviva Metyl-oranž na upravených vzorcích při ozáření ultrafialovým světlem. U vzorku, kde byly pro růst TiO2 nanočástic použity 2 ml TTIP došlo odbarvení za 150 minut, zatímco u vzorků, kde bylo použito 1 ml a 1,5 ml TTIP došlo k odbarvení po 300 a 210 min. Ve třetí studii byla použita nová mikrovlnná hydrotermální metoda rychlé tvorby uspořádaných nano tyčinek ZnO pro vytvoření superhydrofobního povrchu na bavlněných tkaninách. Pro růst nano tyčinek ZnO byly použity dva kroky. Nejprve byla bavlněná tkanina potažena zárodečnou vrstvou nanokrystalů ZnO syntetizovaných metodou sol-gel s využitím mikrovlnného ohřevu. Růst nano tyčinek ZnO byl realizován na zárodečné povrchové vrstvě bavlněných tkanin mikrovlnnou hydrotermální metodou. Následně byla provedena silanizace pomocí prekurzoru neobsahujícího fluor, tak aby byl vytvořen superhydrofobní povrch. Vliv koncentrace hexahydrátu dusičnanu zinečnatého (Zn (NO3)2, 6H20), reakční doby a mikrovlnné energie na růst nano tyčinek ZnO byl podrobně zkoumán pomocí skenovací elektronové mikroskopie (SEM). Ke studiu strukturních vlastností nano tyčinek ZnO byly použity EDS analýza a rentgenové difrakce (XRD). Povrchová topografie a drsnost textilií obsahujících nano tyčinky ZnO by

Abstract:

Over the last decades, researchers have been working to mimic the nature by inducing superhydrophobic properties into a variety of material surfaces so that they exhibit non-wetting properties. Many diverse applications have been found in the fields, such as space, defense, automotive, biomedical applications and engineering, sensors, apparels, and so on. This dissertation is about the development of superhydrophobic surfaces by inexpensive, simple and eco-friendly techniques with added functionalities (i.e. UV protection, Self-cleaning, Oil/Water separation, etc.) by deposition of fly ash, TiO2 and ZnO particles. The first study proposed simple and low-cost approach for improvement in UV protection and superhydrophobic properties of cotton fabrics by coating of mechanically activated fly ash particles. The maximum UV blocking was observed for 3 wt% fly ash, where UV transmittance decreased from 14.19% of untreated fabric to 0.11% of coated fabric. After subsequent treatment of Trimethoxy(octadecyl)silane (OTMS) on fly ash coated fabrics, the water contact angle was increased to 143o, 147o and 153o for fly ash concentration of 1, 2 and 3 wt% respectively. From Cassie-Baxter theories, the unwetted fraction of air pockets were estimated to be 43%, 55% and 67% respectively for 1, 2 and 3 wt% of fly ash particles. Furthermore, the coated fabrics showed great potentials for separation of floating oil layer, underwater oil droplet or oil/water mixture. The separation efficiency of 98%, 96%, 97% and 95% was obtained for selected model oils toluene, n-hexane, chloroform and petrol ether, respectively. In second study, the growth of 3D shaped TiO2 flower particles on surface of polyester fabrics using two step approaches of sol-gel technology and hydrothermal method was successfully achieved. The scanning electron microscopy, EDS analysis, Raman spectroscopy, and X-ray diffraction techniques were employed to study the effect of Titanium isopropoxide (TTIP) concentration on the growth of flower-like TiO2 microstructures. Atomic force microscopy (AFM) was carried out to evaluate the surface topography and roughness. Later, the layer of Trimethoxy(octadecyl)silane was applied on TiO2 coated polyester fabrics to fabricate the self-cleaning textiles. The physical self-cleaning properties were examined based on superhydrophobicity and contact angle measurements where maximum static contact angle of 160.1o and minimum roll off angle of 3o was found for 2 mL TTIP dose. The degradation of methyl orange dyes under UV light irradiation was observed to confirm the photocatalytic chemical self-cleaning behavior, where the samples coated with 2 mL TTIP decolorized the dye solution in 150 min, whereas the samples coated with 1 mL and 1.5 mL TTIP took almost 300 and 210 min respectively. In third study, a novel microwave hydrothermal method was employed on cotton fabrics to develop superhydrophobic surface by rapid synthesis of aligned ZnO nanorods on surface of the cotton fabric. Two step approaches was used for the growth of ZnO nanorods. First, cotton fabric was coated by seed layer of ZnO nanocrystals synthesized using microwave-assisted sol gel method. Secondly, ZnO nanorods were grown rapidly on the seeded cotton fabrics by microwave hydrothermal method. At last, layer of non-fluorinated silane was applied on as-grown nanorods to fabricate a superhydrophobic surface. The non-fluorinated silane was selected as this is less hazardous to skin compared to fluorinated silanes. The effect of zinc nitrate hexahydrate (Zn(NO3)2?6H2O) concentration, reaction time and microwave power on the growth of ZnO nanorods were investigated in detail using scanning electron microscopy (SEM). To study the structural properties of ZnO nanorods EDS analysis and X-ray diffraction (XRD) techniques were used. Surface topography and roughness of the nanorods grown fabrics were studied using AFM. The superhydrophobic properties were examined based on contact angle and

Abstract:

la studována pomocí AFM. Superhydrofobní vlastnosti byly zkoumány na základě měření kontaktního úhlu a měření úhlu náběhu. Byl nalezen maximální kontaktní úhel vody 170,2° a minimální úhel skoulení kapky 1o pro koncentraci hexahydrátu dusičnanu zinečnatého (Zn (NO3)2.6H2O) 25 mM. Fyzikální samoč

Keywords

Částice popílku, superhydrofobicita, ochrana proti UV záření, drsnost, oddělení oleje a vody, nano květiny TiO2, fyzikální samočištění, chemické samočištění, nano tyčinky ZnO, mikrovlnná hydrotermální syntéza, kontaktní úhel

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 2. 3. 2020

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Jakub Wiener, Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Textile Engineering

Doctoral programme / field:
Textile Engineering / Textile Technics and Materials Engineering