Mikro desenli süperhidrofobik yüzeylerde yüzey pürüzlülüğü ile su temas açısı ilişkisi

Abstract

Su damlası temas açısı 150°'den büyük olan, küçük temas açısı karmaşası ve kayma açısına sahip olan yüzeyler ?süperhidrofobik? olarak tanımlanır. Benzer şekilde hidrokarbon solventlerle temas açısı 150°' den büyük olan ve bu sıvılarla düşük temas açısı karmaşası veren yüzeyler ise ?süperoleofobik? olarak adlandırılır. Doğal veya yapay uygulamalardan çok sayıda süperhidrofobik yüzey sentezlenmesi mümkün iken, süperoleofobik yüzeylerin sentezlenmesi daha zordur. Diğer taraftan literatürde verilen birçok çalışmada, mikro desenli süperhidrofobik yüzeyler üzerinde su damlasının temas açısı, o yüzeyin pürüzlülüğüne ve katı alan fraksiyonuna bağlı olarak eski Wenzel ve Cassie-Baxter eşitlikleri kullanılarak modellenmektedir. Son yıllarda yayınlanan çalışmaların bir kısmında bu iki eşitliğin sıvı damlası temas açısını belirlemede yetersiz olduğu ve kullanılamayacağı ileri sürülmüş ve desenli yüzeyler üzerinde sıvı damlasının temas açısının üçlü faz temas çizgisinin davranışına bağlı olarak değiştiği belirtilmiştir.Bu tez çalışması kapsamında, ?silikon wafer? üzerine aşındırma (DRIE) tekniği ile hazırlanmış kare ve silindir çubuklardan oluşmuş mikro desenli yüzeyler üzerinde oluşturulan su ve hidrokarbon sıvılarının temas açıları üzerine, desen geometrisinin ve yüzeyin kimyasal yapısının etkileri ve Wenzel ve Cassie-Baxter eşitliklerinin yüzeylere uygulanabilirliği test edilmiştir. Yeni türettiğimiz ve yayınladığımız denklemler kullanılarak su ve hidrokarbon damlaları için Wenzel eşitliğinin desenlenmiş yüzeylerin tamamında geçersiz olduğu bulunmuştur. Cassie-Baxter eşitliğinin ise ancak çok küçük katı alan kesrine sahip olan yüzeylerde uygulanabileceği gösterilmiştir. Süperoleofobik yüzeyler üzerinde hidrokarbon sıvılarından damlalar kullanıldığında ise su damlasına kıyasla daha yüksek sapmalar bulunmuş ve hidrokarbon zincir uzunluğuna paralel olarak artan sıvı yüzey gerilimindeki artışın ise Cassie-Baxter eşitliğinden sapmaları azalttığı saptanmıştır.Surfaces that have water contact angles larger than 150° are called ?superhydrophobic?. Contact angle hysteresis and also the tilt angle should be small for superhydrophobic surfaces. Similarly, oil (hydrocarbon) contact angles are larger than 150° on superoleophobic surfaces and their contact angle hysteresis values are also small. On the other hand, Wenzel and Cassie-Baxter theories depending on the liquid/solid interfacial contact area were used to describe equilibrium water contact angle results on superhydrophobic surfaces in many studies in the literature. Recently, in some of the published papers, it is reported that these two equations are inadequate to determine liquid drop contact angles and thus cannot be used. It is reported that contact angle of a liquid drop on patterned surface is the result of the liquid/solid interactions at the three phase contact line alone and do not depend upon the liquid/solid interfacial area value under the droplet.The aim of this thesis is to investigate experimentally the effect of pattern size and geometry and also surface chemistry on the resultant water and hydrocarbon contact angles on micro patterned surfaces which were prepared by etching Si wafer (DRIE). We also tested the applicability of Wenzel and Cassie-Baxter equations on these patterned surfaces. Novel equations for this purpose were derived and we applied these to water and hydrocarbon liquid drops and found that Wenzel equation is invalid for all patterned surfaces. It is also determined that Cassie-Baxter equation can be applicable only for surfaces having very small solid area fractions. When hydrocarbon liquid drops are used, larger deviations from the Cassie-Baxter equation is calculated when compared with water. In addition, it is also found that the increase in the hydrocarbon chain length resulted in the increase in cohesion and decrease in liquid surface tension which decreased the deviations from the Cassie-Baxter equation.