Том 86, № 5 (2024)

Разработан метод формирования гибридных мембран, состоящих из гидрофильной микропористой подложки и осажденного методом электроформования гидрофобного нановолоконного слоя полимера. В качестве гидрофильной микропористой подложки использовали трековую мембрану из полиэтилентерефталата, на поверхность которой для обеспечения адгезии нановолоконного слоя полимера методом магнетронного напыления наносили тонкий слой титана. Данный слой одновременно являлся электродом осадительного коллектора в процессе электроформования нановолоконного покрытия. Показано, что применение данного метода формирования полимерных покрытий при использовании в качестве исходного материала для образования нановолокон поливинилиденфторида позволяет получать слой, обладающий высокогидрофобными свойствами, угол смачивания поверхности которого в зависимости от плотности осаждения в среднем составляет 143.3 ± 1.3°. Исследование морфологии нановолоконного покрытия показывает, что он имеет типичную для нетканых материалов микроструктуру. Кроме того, нановолокна, образующие пористую систему данного слоя, имеют широкий разброс по размерам. Изучение молекулярной структуры нановолоконного слоя методами ИК-Фурье-спектроскопии и рентгеноструктурного анализа показало, что в его структуре преобладает β-фаза, для которой характерен максимальный дипольный момент. Показано, что гибридные мембраны разработанного образца обеспечивают высокую селективность разделения при обессоливании водного раствора хлорида натрия с концентрацией 26.5 г/л методом мембранной дистилляции. Коэффициент солезадержания для мембран с плотностью нановолоконного слоя от 20.7 ± 0.2 до 27.6 ± 0.2 г/м² в исследованном режиме процесса мембранной дистилляции составляет 99.97–99.98%. Установлено, что использование высокогидрофобного нановолоконного слоя, обладающего развитой поровой структурой, в сочетании с гидрофильной микропористой основой позволяет повысить производительность процесса мембранной дистилляции. Значение максимального потока конденсата через мембраны при этом составляет в среднем 7.0 кг м²/ч, и его величина зависит от плотности осажденного нановолоконного слоя.

На основе уравнения Пуассона-Больцмана рассматривается электростатическое взаимодействие двух заряженных диэлектрических сферических частиц в растворе симметричного электролита. Методом конечных элементов проведены расчеты сил взаимодействия между частицами одинакового радиуса при условии однородного распределения заряда на их поверхностях в отсутствии внешнего поля. Проведен анализ зависимости сил электростатического отталкивания частиц от величины этого заряда и диэлектрических проницаемостей веществ частиц и окружающей их среды.

Получены новые композитные материалы (ионогели) на основе высокопористых полимеров – полиамида-6,6 и полиэтилена высокого давления – и имидазолиевых ионных жидкостей. Предложен способ определения скорости удаления ионной жидкости из ионогеля, находящегося в контакте с водой, основанный на непрерывных измерениях проводимости водной фазы. Результаты кондуктометрических измерений подтверждены данными высокоэффективной жидкостной хроматографии. Показано, что стабильность ионогелей при их контакте с водой определяется как гидрофобностью полимерной матрицы, так и растворимостью ионной жидкости в воде. Максимальная степень вымывания ионной жидкости (более 80%) наблюдается для композитов на основе пористого полиамида-6,6 (гидрофильная матрица) и дицианимида 1-бутил-3-метилимидазолия (неограниченно смешивается с водой). Наибольшую стабильность (степень удаления не более 53% за 1 сутки) продемонстрировали ионогели на основе полиэтилена высокого давления (гидрофобная матрица) и бис-(трифторметилсульфонил)имида 1-бутил-3-метилимидазолия (низкая, <1 масс. %, растворимость в воде). Предложенный метод анализа скорости растворения ионных жидкостей в воде использован для обсуждения механизма этого процесса.

В последние два десятилетия создание и исследование супергидрофобных наноматериалов, основанных на “эффекте лотоса”, привлекает большой интерес. Эффект обусловлен явлением гетерогенного смачивания шероховатых поверхностей, при котором впадины на поверхности заполнены воздухом (паром), а вода контактирует лишь с вершинами выступов. Капля образует на поверхности сферу и при небольшом наклоне скатывается, захватывая с собой частицы грязи. Для получения таких материалов разработано большое разнообразие методов, в том числе рассматриваются возможности ионно-трековой технологии (ИТТ). Целью работы было исследование смачиваемости микрорельефа поверхности на примере двух материалов, различающихся изначальной степенью гидрофобности. Модификацией поверхности пленок поликарбоната и полипропилена с помощью ИТТ были получены образцы с максимальными углами смачивания водой 140 ± 5° и 151 ± 5° соответственно. Показано, что такие углы характерны для микрорельефа, на котором доля f соприкасающейся с каплей поверхности снижена до диапазона 0 < f < 0.3. Для увеличения вероятности скатывания капель с поверхности материала в определенном направлении были получены материалы с наклонным микрорельефом. В этом случае смачиваемость становится анизотропной. Капля теряет сферическую форму, деформируясь в направлении наклона игольчатых элементов рельефа. Установлено, что анизотропия смачиваемости выше при угле наклона элементов рельефа 45°, чем при 30° (относительно плоской поверхности).

Эффект самоочищения покрытий на основе диоксида титана основан на фотокаталитической окислительной способности и эффекте фотоиндуцированной супергидрофильности. Допирование металлами используют для повышения фотокаталитической активности, в то время как его влияние на гидрофильность поверхности практически не изучено. В связи с этим в работе было детально исследовано влияние гетеровалентного допирования диоксида титана фазы анатаз на его гидрофильные свойства. Тонкие пленки x-M-TiO₂, где М – Nb⁵⁺, Sc³⁺, Al³⁺, с концентрацией допанта в диапазоне 0.0–1.0 ат. %, были получены на стеклянных подложках из растворов соответствующих золей методом макания. Фазовый состав, содержание допанта на поверхности, микронапряжение решетки, кислотность поверхности и значения работы выхода электрона были определены и проанализированы для трех серий допированных образцов в зависимости от концентрации примеси. Гидрофильность поверхности нанопокрытий x-M-TiO₂ оценивали с помощью значений контактных углов воды и свободной поверхностной энергии. Показано, что допирование ионами ниобия изменяет смачиваемость диоксида титана, в то время как его гидрофильное состояние не изменяется при допировании скандием и алюминием. Установлено, что появление ионов ниобия в анатазе приводит к резкому увеличению гидрофильности поверхности с одновременным изменением кислотности и работы выхода, однако с увеличением содержания Nb электронный фактор становится доминирующим. Полученные кинетические зависимости фотоиндуцированного контактного угла воды показали увеличение гидрофильности поверхности всех исследуемых покрытий независимо от типа допанта в пределах исследуемых концентраций, что демонстрирует их способность к самоочищению. Вместе с этим конечное УФ-индуцированное гидрофильное состояние зависит от типа допанта. Максимальная гидрофильность поверхности достигается при УФ-облучении Nb-допированных TiO₂ независимо от его содержания, Al-допированная серия покрытий демонстрирует малые контактные углы, а фотоиндуцированная гидрофильность поверхностей Sc-допированных пленок диоксида титана уменьшается с увеличением содержания скандия.

Определены кинетические зависимости поверхностного натяжения, дилатационной динамической поверхностной упругости и эллипсометрических углов растворов сополимеров стирола и 4-винилбензилхлорида, модифицированного N,N-диметилдодециламином, а также микроморфология адсорбционных и нанесенных слоев данных полиэлектролитов. Все кинетические зависимости динамической поверхностной упругости оказались монотонными, в отличие от результатов для ранее исследованных растворов полиэлектролитов, не содержащих полистирольных фрагментов. Особенности поверхностных свойств исследованных растворов могут быть связаны с образованием микроагрегатов в поверхностном слое, препятствующих формированию петель и хвостов полимерных цепей у межфазной границы, и, следовательно, уменьшению поверхностной упругости после локального максимума. На возникновение агрегатов с размерами 1–4 нм в Z-направлении в поверхностном слое указывают также данные атомно-силовой микроскопии. Полученные результаты подтверждают сделанные ранее выводы об образовании агрегатов в поверхностном слое растворов полиэлектролитов, содержащих фрагменты полистиролсульфоната натрия (ПСС). Для нанесенных слоев исследованного полиэлектролита без мономеров стирола на водной подложке обнаружен двумерный фазовый переход к более плотной поверхностной фазе при поверхностных давлениях 25–30 мН/м и образование агрегатов с размером 40 нм в Z-направлении.