Estudo sobre a influência da topografia na estática e dinâmica da molhabilidade de superfícies hidrofóbicas e superhidrofóbicas
Resumo
Este estudo busca expandir o entendimento sobre a influência da topografia na molhabilidade de superfícies, visando principalmente, compreender os critérios de obtenção do caráter superhidrofóbico. Superfícies são consideradas superhidrofóbicas quando o ângulo de contato com a água é maior ou igual que 150° e a histerese é menor ou igual que 10°. Quando essas duas condições são satisfeitas, as superfícies apresentam grande repelência à água. Superfícies desse tipo apresentam propriedades interessantes, como autolimpeza, anticorrosão, anticontaminação, entre outras. Conhecer os critérios topográficos necessários para alcançar a superhidrofobicidade é essencial para modelar e diminuir o custo de produção dessas superfícies. Com esse objetivo, propomos aqui um modelo teórico original, que relaciona o ângulo de contato com o valor quadrático médio (do inglês “root mean square” - r.m.s.) da declividade das estruturas superficiais. Além disso, também temos como objetivo correlacionar o ângulo de contato estático e a histerese do ângulo de contato com a declividade r.m.s.. Assim, propomos a declividade r.m.s. como o critério topográfico para obtenção do alto ângulo de contato e da baixa histerese, que são os fatores que proporcionam a superhidrofobicidade. A fim de corroborar experimentalmente o modelo teórico proposto, foram utilizadas superfícies hidrofóbicas e superhidrofóbicas, com rugosidade graduada de alumina. O método sol gel foi escolhido para síntese da solução de alumina que, posteriormente, foi utilizada para formação de filmes finos transparentes, depositados sobre substratos de vidro via deposição por imersão. As rugosidades graduadas das superfícies foram obtidas através de desbastamento químico com água fervente, realizados com diferentes tempos de exposição (t= 0 s, 6 s, 10 s, 16 s, 32 s, 64 s, 128 s e 512 s). A baixa energia de superfície foi obtida através da funcionalização com o surfactante Dynasylan F-8815, fornecido pela empresa Evonik. A composição química superficial foi mantida a mesma para todas as amostras, com o objetivo de analisar a real contribuição da topografia na obtenção da superhidrofobicidade. A caracterização da composição química foi realizada através da medida de espalhamento de fotoelétrons excitados por raios X . As informações sobre a topografia da superfície foram obtidas através de medidas de microscopia eletrônica de varredura e microscopia de força atômica . A molhabilidade estática foi aferida através da medida do ângulo de contato, utilizando o método da gota séssil com volume contante, enquanto a molhabilidade dinâmica foi aferida através da histerese, usando o método da gota séssil com volume variável. Foi possível observar, que de modo geral, o ângulo de contato tende a aumentar com o aumento do tempo de exposição ao desbastamento químico, bem como a rugosidade r.m.s. e, consequentemente, a declividade r.m.s. das estruturas superficiais. O critério estático para obtenção da superhidrofobicidade foi alcançado para as amostras expostas ao desbastamento por 16 s, 32 s, 64s, 128 s e 512 s (dentro da margem de erro). Porém, o critério dinâmico foi obtido apenas para alguns volumes da gota depositada na amostra desbastada por 128 s e na totalidade do volume medido para a amostra desbastada por 512 s. Também, foi possível observar uma tendência de redução linear da histerese da superfície com relação ao volume da gota de água depositada sobre ela. A correlação entre topografia e molhabilidade foi realizada, onde o ângulo de contato foi descrito em termos da declividade r.m.s. e o modelo proposto apresentou comportamento similar dos pontos experimentais. Dessa forma, definimos um valor crítico de declividade, σSH = 2, 71, para o qual a superfície será superhidrofóbica, para qualquer volume de gota depositada sobre ela. Além disso, foi possível definir a transição dos estados de molhabilidade de Wenzel para Cassie, corroborando o resultado da literatura.