inducción y caracterización de hidrofobicidad sobre materiales … · 2017-10-18 · mayores de...
TRANSCRIPT
Gonzalo Rincón García
Rodrigo Martínez Ruiz y Judith Millán Moneo
Facultad de Ciencia y Tecnología
Grado en Química
2015-2016
Título
Director/es
Facultad
Titulación
Departamento
TRABAJO FIN DE GRADO
Curso Académico
Inducción y caracterización de hidrofobicidad sobre materiales vítreos
Autor/es
© El autor© Universidad de La Rioja, Servicio de Publicaciones, 2016
publicaciones.unirioja.esE-mail: [email protected]
Inducción y caracterización de hidrofobicidad sobre materiales vítreos, trabajo fin de grado
de Gonzalo Rincón García, dirigido por Rodrigo Martínez Ruiz y Judith Millán Moneo(publicado por la Universidad de La Rioja), se difunde bajo una Licencia
Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 3.0 Unported. Permisos que vayan más allá de lo cubierto por esta licencia pueden solicitarse a los
titulares del copyright.
Inducción y caracterización de hidrofobicidad sobre materiales vítreos
TRABAJO DE FIN DE GRADO
Gonzalo Rincón García Tutores:
Rodrigo Martínez Ruiz
Judith Millán Moneo
UNIVERSIDAD DE LA RIOJA – GRADO EN QUÍMICA Julio/2016
3
ÍNDICE
1. Resumen/Abstract 5
2. Objetivos 9
3. Introducción 11
3.1. Interfases 13
3.2. Tensión superficial 14
3.3. Ángulo de contacto 15
3.4. Hidrofilia e hidrofobia 17
3.5. Síntesis de recubrimientos hidrófobos y superhidrófobos mediante
tratamiento químico 18
3.6. Pretratamiento y funcionalización de superficies mediante la aplicación
de recubrimientos utilizando plasma atmosférico frío 21
4. Metodología 23
4.1. Procedimiento Experimental 25
4.2. Medida del Ángulo de Contacto 31
4.3. Aplicación de Recubrimientos utilizando Plasma Átmoférico Frío 37
5. Resultados y discusión 39
6. Conclusiones 55
4
5
Resumen
-
Abstract
6
7
En los últimos años la investigación de materiales y recubrimientos con propiedades
repelentes del agua (hidrófobas) ha sufrido un gran desarrollo, en parte debido a la
gran funcionalidad de estos tanto dentro del ámbito cotidiano como en el tecnológico.
Para que un recubrimiento hidrófobo sea funcional dos son los requisitos que este
debe cumplir:
Generar ángulos de contacto del mayor grado posible.
No interferir en las propiedades características del material.
En contraposición a los caros y complejos procesos químicos desarrollados en la
industria y grandes laboratorios para la síntesis de materiales hidrófobos y
superhidrófobos, se ha seguido un asequible método de obtención de hidrofobia sobre
vidrio. Además, se ha desarrollado un sencillo montaje, goniómetro, que permite
cuantificar la magnitud de estas propiedades a través de la medida del ángulo de
contacto.
Adicionalmente, en colaboración con el Dr. Fernando Alba y Dña. Elisa Sainz del
Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de La Rioja se ha estudiado
como afecta al proceso químico y por consiguiente a la capacidad hidrófoba de los
materiales, la sustitución del pretratamiento químico convencional por una novedosa
tecnología de inducción de plasma frío atmosférico.
8
During the last few years, research of materials and coatings with water repellent
properties (hydrophobic) has experienced a great development, due to the high
functionality of both in everyday scope and technology. In order to a hydrophobic
coating being functional there are two requirements to be fulfilled:
Generate contact angles with the greatest possibly degree.
Not interfere in the characteristic properties of the material.
In contrast to expensive and complex chemical processes developed in the industry
and big laboratories for the synthesis of hydrophobic and superhydrophobic materials,
it has followed an affordable method of obtaining hydrophobicity on glass. It has also
developed a simple setup, goniometer, which quantifies the magnitude of these
properties by measuring the contact angle.
Additionally, in collaboration with Dr. Fernando Alba and Mrs. Elisa Sainz from the
Department of Mechanical Engineering at the University of La Rioja, it has been
studied how the replacement of conventional chemical pretreatment for a novel
induction technology of cold atmospheric plasma affects to the chemical process and
therefore to the hydrophobicity of materials.
9
Objetivos
10
Aplicar un tratamiento químico basado en reacciones de organosilanos con vidrio
para obtener recubrimientos hidrófobos y superhidrófobos sobre material vítreo
(portaobjetos de microscopio).
Construcción de un goniómetro: dispositivo experimental para medir ángulos de
contacto.
Observar los diferentes grados de hidrofobia dependiendo del reactivo utilizado en
el proceso, octadeciltriclorosilano o metiltriclorosilano, mediante la medida de los
ángulos de contacto con el goniómetro.
Comparar los ángulos de contacto medidos con el goniómetro diseñado para los
vidrios tratados con los resultados recogidos en bibliografía.
Tal y como indican los resultados de la bibliografía, comprobar que los
recubrimientos hidrófobos sintetizados no conllevan una disminución de la
trasparencia propia del vidrio.
Estudiar como la implementación de un pretratamiento basado en la inducción de
plasma frío atmosférico sobre el vidrio puede afectar a las propiedades hidrófobas
del material.
11
Introducción
12
13
Las interfases tienen un papel fundamental en el mundo que conocemos, aunque no
sean visibles al ojo humano están presentes en la mayoría de procesos y elementos
que nos rodean.
Conocer las propiedades y características de las interfases implica tener información
sobre cómo funciona nuestro organismo en algunos aspectos, ya que procesos tan
determinantes como la respiración están íntimamente ligados a estas. Además
desempeñan papeles fundamentales en todo tipo de procesos químicos como por
ejemplo la conversión catalítica de gases residuales producidos en el proceso de
postcombustión.
Se define interfase como región de grosor finito formada por el encuentro de dos fases
homogéneas donde las propiedades cambian, generalmente en gran magnitud, de una
fase a otra.1
En este ámbito el concepto de tensión superficial adquiere una gran importancia.
1 G.T. Barnes, I.R.Gentle, Interfacial Science. An introduction; Oxford University Press Inc. New York
2005.
INTERFASES
14
Todo sistema en equilibrio viene definido por una energía libre (G) mínima. En el caso
de que dentro del sistema exista una interfase, cabe pensar que esta contribuirá a la
energía libre y que lo hará proporcionalmente a su área.
El signo de la tensión superficial puede ser dilucidado a través del fenómeno de la
formación de gotas y burbujas, en este la interfase tiende a ocupar la mínima
superficie para minimizar la energía libre del sistema.
La termodinámica de interfases redefine el trabajo acorde con la interfase que hay en
el sistema y nos da otro enfoque de la tensión superficial. En un sistema de dos fases
donde solo hay cambio de área la expresión termodinámica de la tensión superficial es
la siguiente1:
inPPTA
G
,,,
(1)
donde es la tensión superficial, el área de la interfase, Pα y Pβ son las presiones de
las dos fases y y ni el número de moles del componente i en la interfase.
Se supone a continuación, tal como se representa en la Figura 12, una gota depositada
sobre una superficie sólida. Sobre las moléculas situadas lejos de la superficie de la
gota las fuerzas que actúan se compensan isotrópicamente, pero las moléculas
presentes en la superficie no tienen moléculas vecinas en todas las direcciones, esto
provoca una fuerza no equilibrada. Este fenómeno produce una fuerza total hacia
dentro que se traduce en una minimización de la superficie externa de la gota.
Figura 1. Equilibrio de fuerzas producido dentro de una gota de líquido.
Esta fuerza intermolecular dada en la superficie de la gota, que produce el
contraimiento de la gota es la tensión superficial. Así se define tensión superficial
como la fuerza por unidad de longitud que actúa sobre la interfase tangencialmente1.
2 Y. Yuan, T. R. Lee, Contact Angle and Wetting Properties in Surface Science Techniques. Springer Berlin
Heidelberg 2013, pp 3-4.
TENSIÓN SUPERFICIAL
15
Se define humectabilidad o capacidad de mojado como la condición de una superficie
que determina como de rápido un líquido mojará y se derramará sobre esta o si por el
contrario será repelido.
La humectabilidad ha tomado una especial importancia en los últimos años. Esta juega
un papel importante en distintos procesos como la recogida de hidrocarburos,
recubrimientos impermeables y síntesis de pinturas, entre otros. La medida que define
a este término es el ángulo de contacto.
Cuando una gota de líquido se deposita sobre una superficie se forma una interfase
triple entre el líquido, el sólido y el gas (ver Figura 2). La gota se moverá en respuesta a
las fuerzas producidas por estas tres tensiones superficiales hasta que se dé una
posición de equilibrio.
Figura 2. Triple interfase sólido-líquido-gas
Se denomina ángulo de contacto al ángulo presente entre la superficie sólida (S) y la
tangente que parte de la zona de contacto de la gota y se prolonga por su superficie1,
tal como se representa en la Figura 3, donde es el ángulo de contacto, γLS la tensión
superficial de la interfase líquido-sólido, γGL la de la interfase gas-líquido y γGS la de la
interfase gas-sólido.
Figura 3. Componentes de las tensiones superficiales que conforman el ángulo de contacto.
ÁNGULO DE CONTACTO
16
La posición de la triple interfase se modificará en respuesta a una variación de las
componentes horizontales de las tensiones superficiales. En una situación de equilibrio
el balance entre las tres tensiones superficiales es el siguiente1:
cosLSLSGS (2)
En el equilibrio se alcanza un determinado ángulo de contacto debido a la intervención
de las fuerzas entre moléculas del líquido (fuerzas de cohesión) y las fuerzas entre el
líquido y superficie (fuerzas de adhesión).
Una vez establecida una situación de equilibrio en la gota, el ángulo de contacto
formado indica la magnitud de humectabilidad o capacidad de mojado del material.
Una superficie se considera mojada cuando el ángulo de contacto formado es menor
de 90°.
Figura 4. Capacidad de mojado dependiente del ángulo de contacto.
Como se observa en la Figura 4, ángulos de contacto menores de 90° indican un claro
favorecimiento del mojado, por ello la gota abarca una gran superficie. Para ángulos
mayores de 90° el mojado esta desfavorecido, lo cual se traduce en una minimización
de la superficie de contacto de la gota con el material, adquiriendo de este modo una
forma más esférica2.
El mojado más completo se da para un ángulo de contacto de 0°, en este caso el
líquido se extiende totalmente sobre la superficie. Por el contrario para ángulos de
contacto iguales o superiores a 150° se dice que el material es superhidrófobo.
17
La hidrofilia es la propiedad física por la cual las moléculas tienden a interactuar con el
agua o a disolverse en ella (solvatarse)3, estas moléculas tienen la posibilidad de
formar enlaces de hidrógeno con el agua adquiriendo así una mayor estabilidad. La
forma más efectiva de desarrollar materiales hidrófilos es mediante la aplicación de
recubrimientos en los que las moléculas superficiales son polares, estas atraen las
moléculas de agua y hacen que el material se moje. Entre la variedad de aplicaciones
destaca la síntesis de pinturas con alto grado de esparcimiento o el desarrollo de
biomateriales utilizados en medicina como los hidrogeles4.
El efecto hidrofóbico, por el contrario, está producido por la tendencia del agua a ser
repelida por moléculas apolares. Esta propiedad es denotada por la formación de
ángulos de contacto superiores a 90°, la repulsión entre las moléculas apolares y el
agua produce una disminución de la superficie de contacto de la gota y por lo tanto un
considerable aumento del ángulo de contacto.
A nivel molecular la hidrofobia desempeña un papel muy importante en procesos
biológicos, confiriendo propiedades características a ciertas membranas y sistemas
celulares, ejemplo de ello es la permeabilidad selectiva adquirida por la bicapa lipídica
de la membrana celular gracias a esta propiedad.
El desarrollo de materiales hidrófobos ha experimentado un importante auge debido
en gran parte a su gran aplicabilidad, tanto en ámbito cotidiano (síntesis de prendas de
ropa repelentes del agua, detergentes, etc) como en el industrial (fabricaciones de
componentes automovilísticos hidrófobos5, desarrollo de placas solares resistentes a
las condiciones ambientales, etc).
3 IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2ª ed. (the "Gold Book"). Recopilado por A. D.
McNaught y A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford, 1997. 4 K. Jindřich, Biomaterials, 2007; 28, 5185–5192
5 E. Sáinz García, Aplicación de nano- recubrimientos sólidos sobre materiales termoplásticos empleando
plasma atmosférico. Trabajo de investigación de Diploma de Estudios Avanzados. Junio 2012, Universidad de La Rioja.
HIDROFILIA E HIDROFOBIA
18
El objetivo principal del trabajo es obtener superficies con propiedades hidrofóbicas y
superhidrofóbicas y a continuación determinar una medida de la magnitud de estas
mediante la medida del ángulo de contacto.
La hidrofobicidad de un determinado material puede estar producida por un
tratamiento físico o químico.
Los tratamientos físicos suelen estar basados en la formación de nanoestructuras de
alta rugosidad, estas cavidades atrapan bolsas de aire que generan una triple interfase
sólido-aire-líquido conocida como estado Cassie-Baxter6. Se pueden llegar a obtener
ángulos de contacto superiores a 150° tal y como se representa en la Figura 5.
Figura 5. Superficie de una nanoestructura superhidrofóbica.
El tratamiento químico realizado se basa en la formación de un recubrimiento sobre la
superficie del vidrio formado por organosilanos, esta capa superficial está compuesta
por moléculas apolares que experimentan gran repulsión frente al agua.
En el tratamiento se produce el acoplamiento del reactivo (octadeciltriclorosilano o
metiltriclorosilano) a la superficie de SiO2 mediante la ruptura de enlaces Si-Cl y la
formación de enlaces Si-O.
Tabla 1. Entalpias de disociación y distancia de enlace del enlace Si-Cl y Si-O.
Si-Cl Si-O
Distancia de enlace (pm) 202 163
Entalpía de disociación(kJ/mol) 381 452
La baja entalpía de disociación del enlace Si-Cl respecto a la del Si-O posibilita la
sustitución de los haluros de la molécula y la consiguiente formación del enlace Si-O
(energéticamente favorable), llevándose así a cabo el ensamblado del organosilano a
la superficie del vidrio (Tabla 1).
6 A. Cassie y S. Baxter, S. Trans. Faraday Soc. 1944, 40, 546-551.
SÍNTESIS DE RECUBRIMIENTOS HIDRÓFOBOS Y SUPERHIDRÓFOBOS
MEDIANTE TRATAMIENTO QUÍMICO
19
En relación a este tipo de reacciones se han realizado dos procedimientos para la
síntesis de monocapas sobre superficies vítreas7.
El primer procedimiento consiste en un tratamiento del material vítreo con
octadeciltriclorosilano en medio ácido. El recubrimiento sintetizado genera
superficies con ángulos de contacto de en torno a 110°.
Las propiedades hidrófobas que este recubrimiento confiere al material se deben a
la conformación de las cadenas hidrocarbonadas del octadeciltriclorosilano, estas
forman una monocapa de metilos que producen un cambio de polaridad en el
cristal, el cual se traduce en un aumento del ángulo de contacto (Figura 6)7.
Figura 6. Representación de la superficie del vidrio tras su tratamiento con
octadeciltriclorosilano.
En el segundo procedimiento se lleva a cabo el tratamiento de la muestra con
metiltriclorosilano en medio ácido. El metiltriclorosilano forma una red
tridimensional de polimetilsilano que tiene la habilidad de atrapar bolsas de aire
cuando las gotas de agua son depositadas sobre la superficie de vidrio, tal y como se
expone en la Figura 77.
7 J. X. H. Wong y H.-Z. Yu, J. Chem. Ed. 2013, 90, 1203-1206
20
Figura 7. Representación de la superficie del vidrio tras su tratamiento con metiltriclorosilano.
Estas bolsas de aire de acuerdo con la ecuación de Cassie-Baxter6, incrementan el
ángulo de contacto de la gota de agua y por lo tanto hacen a las superficie
superhidrofóbica (ángulo de contacto>150°).
21
Los tratamientos químicos realizados sobre superficies vítreas con el fin de conferir
propiedades hidrófugas tienen efecto exclusivo sobre la superficie externa del
material. Por ello, una correcta limpieza de este favorecerá un mejor rendimiento de
las reacciones dadas.
Durante el desarrollo del trabajo se propuso sustituir el pretratamiento establecido en
el procedimiento experimental por una limpieza con fuente de plasma frío
atmosférico.
Los objetivos principales de estos experimentos se fundamentaban en una mejora de
la limpieza mucho más eficaz que la química de la superficie de vidrio que se traduciría
en un aumento de los ángulos de contactos medidos.
Al transmitir energía en forma de calor o radiación electromagnética a un líquido
hacemos que este pase a un estado gaseoso, si seguimos aplicando energía se
arrancan electrones de las moléculas, dando lugar a una ionización parcial o total del
gas. En este momento se alcanza el estado de la materia denominado plasma.
En la actualidad está muy extendido el uso de plasmas térmicos. En estos la superficie
del sólido tratado puede alcanzar temperaturas de hasta 2000 °C, por ello se ha
optado por la utilización de un tipo de plasma de menor impacto térmico. La
tecnología utilizada como alternativa a los plasmas térmicos se basa en la aplicación de
una fuente de plasma frío a presión atmosférica5.
El dispositivo de plasma consta de las siguientes partes (Figura 8):
Celda funcionalizada protegida con una reja metálica que proporciona
aislamiento eléctrico.
Pistola de inyección.
Contenedores del gas de alimentación del plasma.
Sistema de refrigeración del plasma que posibilita el trabajo a temperaturas
bajas.
Plataforma programable.
Controladores de la potencia y velocidad de inyección del plasma.
PRETRATAMIENTO Y FUNCIONALIZACIÓN DE SUPERFICIES MEDIANTE LA
APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS UTILIZANDO PLASMA ATMOSFÉRICO
FRÍO
22
Figura 8. Módulo de inyección de plasma frío atmosférico.
Con esta tecnología se ha llevado a cabo el tratamiento de las superficies de vidrio en
distintas condiciones experimentales con el fin de estudiar si este tipo de tratamiento
resultaba más efectivo que el procedimiento químico recogido en la bibliografía7.
23
Metodología
24
25
TRATAMIENTO CON OCTADECILTRICLOROSILANO
REACTIVOS
Octadeciltriclorosilano (ODTS)
Se trata de una molécula anfifílica que consta de una larga cadena de grupos alquilo y
una cabeza o grupo polar SiCl3 que permite formar una monocapa mediante un
autoensamblaje sobre sustratos de dióxido de silicio.8
Fórmula: C18H37Cl3Si
Peso molecular: 387.931 g/mol
Estructura química 9
Frases S:
8 National Center for Biotechnology Information. PubChem Compound Database; CID=8157:
https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/8157 (acceso 21 Julio 2016).
9 Libro del Web de Química del NIST:
http://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?Name=OCTADECYLTRICHLOROSILANE&Units=SI. (acceso 21 Julio 2016).
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
S26: En caso de contacto con los ojos, lávense inmediata y abundantemente
con agua y acúdase a un médico.
S27: Quítese inmediatamente la ropa manchada o salpicada
S36: Úsese indumentaria protectora adecuada.
S37: Úsense guantes adecuados.
S39: Úsese protección para los ojos/la cara.
26
Ácido clorhídrico concentrado (37% en peso)
Fórmula: HCl
Peso molecular: 36.5 g/mol
Frases S:
Tolueno10 (99,99 %, grado analítico)
Fórmula: C7H8
Peso molecular: 92.1384 g/mol
Estructura:
Frases S:
10
Libro del Web de Química del NIST. http://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?Name=toluene&Units=SI. (acceso 21 Julio 2016).
S1: Consérvese bajo llave.
S2: Manténgase fuera del alcance de los niños.
S26: En caso de contacto con los ojos, lávense inmediata y abundantemente
con agua y acúdase a un médico.
S45: En caso de accidente o malestar, acúdase inmediatamente al médico (si es
posible, muéstrele la etiqueta).
S2: Manténgase fuera del alcance de los niños.
S29: No tirar los residuos por el desagüe.
S36: Úsese indumentaria protectora adecuada.
S37: Úsense guantes adecuados.
S46: En caso de ingestión, acúdase inmediatamente al médico y muéstrele la
etiqueta o el envase.
S62: En caso de ingestión no provocar el vómito: acúdase inmediatamente al
médico y muéstrele la etiqueta o el envase.
27
Etanol (96 % para síntesis)11
Fórmula: C2H6O
Peso molecular: 46.068 g/mol
Estructura:
Frases S:
MATERIAL UTILIZADO
o Portaobjetos de vidrio de dos marcas:
- Labbox. Ref: SLIU-005-050
- SCHARLAB. Ref: 027D100001
o Vasos de 100 mL
o Probeta aforada
o Micropipetas (200 y 1000 μL)
o Cuentagotas
o Pinzas de madera
o Baño de ultrasonidos
o Lámpara de luz ultravioleta (UV)
o Mufla
11
Libro del Web de Química del NIST. http://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C64175&Units=SI. (acceso 21 Julio 2016).
S1: Consérvese bajo llave.
S2: Manténgase fuera del alcance de los niños.
S7: Manténgase el recipiente bien cerrado.
S16: Conservar alejado de toda llama o fuente de chispas-No fumar.
S36: Úsese indumentaria protectora adecuada.
S37: Úsense guantes adecuados.
S45: En caso de accidente o malestar, acúdase inmediatamente al médico (si es
posible, muéstrele la etiqueta).
28
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL7
Se lava un portaobjetos de vidrio con agua desionizada por las dos caras. A
continuación se sumerge en etanol (10 minutos) y en agua desionizada (10 minutos)
mientras se les aplica un baño de ultrasonidos. Una vez pasado este tiempo en el baño
se deja secar bajo una lámpara UV durante 15 min.
Se sumerge el portaobjetos en un vaso que contiene 40 mL de tolueno de manera que
cubra por lo menos la mitad de la superficie del vidrio.
Sobre la disolución de tolueno se añaden con una micropipeta 1.4 mL de
octadeciltriclorosilano y 1 mL de ácido clorhídrico concentrado.
Se tapa el vaso con papel film y se deja reaccionar a temperatura ambiente durante 1
hora y 30 minutos. Una vez pasado este tiempo se lava el portaobjetos 3 veces con
tolueno, etanol, una mezcla H2O:Etanol 1:1 y, finalmente, agua desionizada. Para
terminar se introduce el vidrio en una mufla a una temperatura constante de 100 °C
durante 5 minutos.
29
TRATAMIENTO CON METILTRICLOROSILANO
REACTIVOS
Metiltriclorosilano12
Compuesto muy reactivo comúnmente utilizado para la formación de polímeros de
siloxano muy reticulados.
Fórmula: CH3Cl3Si
Peso molecular: 149.479 g/mol
Estructura química:
Frases S:
Ácido clorhídrico concentrado (37% en peso)
Tolueno 10 (99.99 % grado analítico)
Etanol (96 % para síntesis)11
12
National Center for Biotechnology Information. PubChem Compound Database; CID=6399, https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/6399 (acceso 21 de Julio 2016)
S2: Consérvese bajo llave.
S26: En caso de contacto con los ojos, lávense inmediata y abundantemente
con agua y acúdase a un médico.
S39: Úsese protección para los ojos/la cara.
30
MATERIAL UTILIZADO
o Portaobjetos de vidrio de dos marcas:
- Labbox. Ref: SLIU-005-050
- SCHARLAB. Ref: 027D100001
o Vasos de 100 mL
o Probeta aforada
o Micropipetas (200 y 1000 μL)
o Cuentagotas
o Pinzas de madera
o Baño de ultrasonidos
o Lámpara de luz ultravioleta (UV)
o Mufla
o Agitador de vaivén Heidolph PROMAX 2020
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL7
Se lava un portaobjetos de vidrio con agua desionizada por las dos caras. A
continuación se sumerge en etanol (10 minutos) y en agua desionizada (10 minutos)
mientras se les aplica un baño de ultrasonidos. Una vez pasado el tiempo en el baño se
deja secar bajo una lámpara UV durante 15 min.
Se sumerge el portaobjetos en un vaso que contiene 40 mL de tolueno de manera que
cubra por lo menos la mitad de la superficie del vidrio.
Sobre la disolución de tolueno se añaden con una micropipeta 380 μL de
metiltriclorosilano y 1 mL de ácido clorhídrico concentrado.
Se tapa el vaso con papel film y se deja reaccionar a temperatura ambiente durante 5
horas. Una vez pasado este tiempo se lava el portaobjetos 3 veces con tolueno, etanol,
una mezcla H2O:Etanol 1:1 y, finalmente, agua desionizada. Para terminar se introduce
el vidrio en una mufla a una temperatura constante de 100 °C durante 5 minutos.
31
MONTAJE DEL GONIÓMETRO
Un goniómetro es un aparato utilizado para la medida de ángulos. En el mercado
actual existen gran variedad de goniómetros de gran complejidad técnica y elevado
precio que permiten calcular el ángulo de contacto de una gota sobre una superficie
sólida con una gran precisión13. En este trabajo se ha desarrollado un sistema de fácil
montaje que consta de las siguientes componentes:
Microcámara web14: Permite captar imágenes de alta resolución y con un buen
contraste de luz, algo indispensable para el experimento. Mediante una conexión
USB es posible visionar y almacenar las imágenes realizadas.
La cámara consta de una linterna LED con regulador con el fin de variar la
iluminación de la gota en función del contraste requerido y un sistema de enfoque
manual que deberemos ajustar según la distancia del objetivo a la gota, tal como se
expone en la Figura 9.
Figura 9. Microcámara utilizada para la captura de imágenes de microgotas.
13
Advanced measurement techniques. 2016 Biolin Scientific Holding AB. http://www.biolinscientific.com/. (acceso 21 Julio 2016). 14
Digital Microscope U500X resolución desde 640x400 hasta 1600x1200 ppp, zoom digital 5X con conexión USB.
MEDIDA DEL ÁNGULO DE CONTACTO
32
Soporte de muestra: En este soporte se coloca el vidrio tratado y sobre él una gota
de agua con un cuentagotas. El soporte consta de varios módulos móviles que
permiten regular tanto la altura como la inclinación de la gota dando la posibilidad
de medir tanto propiedades de humectación como de capacidad de limpieza de la
gota al resbalar por una superficie inclinada (Figura 10).
Figura 10: Soporte de la muestra sobre la que se ha colocado el vidrio tratado con una gota de agua para
la toma de una imagen.
CAPTURA DE LA IMAGEN
La imagen captada se puede visualizar en tiempo real por medio del programa de
captura de imágenes AMCAP15. Este programa además permite realizar video y nos
proporciona una serie de filtros de captura muy útiles a la hora de obtener una imagen
clara y contrastada de la gota.
Utilizando un filtro monocromático resaltamos la zona de la interfase aire-agua-sólido
(Figura 11), lo que es muy útil para medir el ángulo de contacto.
Figura 11. Imagen de una gota a la que se le ha aplicado un filtro monocromático.
Para tomar una imagen de calidad es muy importante la luz ambiental.
Experimentalmente se comprobó que aplicar una fuente de luz intensa detrás de la
15
AMCAP. Muestra de captura de video Direct Show. Versión 9.016.
33
gota no genera un contraste adecuado entre la gota y el fondo por lo que se descartó
la utilización de esta. A partir de las imágenes tomadas se acotaron dos ambientes
diferentes de iluminación:
Fondo con baja iluminación y superficie de la gota clara (Figura 12).
Figura 12. Imagen del contraste de iluminación entre gota y superficie.
Genera una resolución con contraste adecuado para el posterior análisis del ángulo de
contacto por medio del software.
Fondo iluminado y superficie de la gota oscura (Figura 13).
Figura 13. Imagen del contraste de iluminación entre gota y superficie.
La imagen se toma con la luz de la microcámara apagada, se genera un contraste
adecuado para la medida del ángulo de contacto.
34
OBTENCIÓN DEL ÁNGULO DE CONTACTO
ImageJ16 es un programa de procesamiento de imágenes digitales, su descarga y uso es
de dominio público. Este programa fue diseñado en código abierto, de manera que a
través del diseño personalizado de herramientas cualquier usuario puede resolver una
gran variedad de problemas de procesado y análisis de imágenes (Figura 14).
Figura 14. Menú principal del programa de análisis de imágenes ImageJ.
En nuestro caso la herramienta utilizada para la medida del ángulo de contacto es Drop
analysis-LB-ADSA17. Una vez descargado y ejecutado su utilización consta de los
siguientes pasos:
La imagen debe estar convertida a blanco y negro dado que este tipo de
herramienta solo acepta ese formato. El programa de captura de imágenes nos da
la opción de convertirla previamente.
Una vez abierta la imagen a analizar se inicia la herramienta. A través de un menú
existe la opción de controlar diversos parámetros que permiten ajustar la curva de
medida al contorno de la gota (Figuras 15 y 16).
16
Image Processing and Analysis in Java. https://imagej.nih.gov/ij/. (acceso 21 Julio 2016). 17
http://bigwww.epfl.ch/demo/dropanalysis/ (acceso 21 Julio 2016).
35
Figura 15. Parámetros de ajuste de la curva
Figura 16. Curva de ajuste en verde.
36
Se modifican los parámetros indicados para que la curva se ajuste al contorno de la
gota. Se precisa realizar con mucho cuidado la aproximación de la curva en la zona
de la triple interfase aire-agua-sólido ya que una pequeña variación de los
parámetros en esta zona se traduce en una gran variación del ángulo de contacto
(Figura 17).
Figura 17. Proceso de ajuste de la curva al contorno de la gota.
Una vez ajustada la curva, el programa nos da el valor del ángulo calculado (Figura 18).
Figura 18. Ángulo de contacto calculado.
En ocasiones los parámetros no nos permiten alcanzar el valor del ángulo deseado
debido a un problema de escala, este hecho se solventa disminuyendo la cantidad de
pixel/mm dentro de la opción ajustes settings (ver Figura 15).
37
Previamente a la realización del proceso experimental fue necesario el estudio de una
serie de condiciones para que la posterior inducción del plasma sobre la superficie de
vidrio fuero eficaz y homogénea:
El diámetro del rango de inyección superficial que abarca la pistola es 10 mm, por lo
que para tratar toda la superficie de la placa de vidrio se realizan una serie de
subdivisiones de forma que toda la muestra quedara tratada (Figura 19).
Cada uno de los tres barridos realizados recorre la superficie longitudinalmente dos
veces para que la deposición del plasma sea más efectiva.
Figura 19. Representación esquemática de los barridos realizados sobre la superficie.
Se establece una separación (GAP) entre la pistola y la superficie (Figura 20) y se
ajusta la velocidad de inyección del gas y la potencia de electrólisis de este.
Figura 20. GAP entre la superficie y la pistola de inyección de plasma.
APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS UTILIZANDO PLASMA ATMOSFÉRICO
FRÍO
GAP
38
Se modula el flujo de gases de inyección y de refrigeración de la manera más óptima
(Figura 21).
Figura 21. Controladores del flujo de gases.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Los vidrios a tratar se marcan por una de sus caras para saber dónde se va a realizar
la inducción del plasma.
Las muestras se lavan con cuidado utilizando un trapo empapado en isopropanol,
una vez limpias y secas se procede a realizar el tratamiento con plasma.
La placa de vidrio se coloca sobre su silueta previamente dibujada sobre la
plataforma móvil del módulo de inyección.
Una vez programadas las distintas variables del proceso (velocidad, GAP, potencia
etc.) se procede a la inducción del plasma.
Una vez se ha tratado la superficie (aproximadamente 2 minutos) se introduce la
muestra en un contenedor adecuado para su posterior tratamiento químico.
El proceso químico realizado es el mismo que el señalado, dependiendo del reactivo
utilizado anteriormente pero omitiendo la realización de los siguientes
pretratamientos:
o Lavado con agua desionizada.
o Baño de utrasonidos en etanol y agua.
o Tratamiento con luz UV (15 min)
Una vez realizado el tratamiento químico se procede a la toma de medidas del
ángulo de contacto y análisis de resultados.
39
Resultados y
Discusión
40
41
Los experimentos realizados se llevaron a cabo aplicando la metodología descrita en la
referencia [7] y detallada en el Procedimiento Experimental. Al comprobar la
incompatibilidad de ciertos materiales utilizados, como el tamaño de los portaobjetos
de vidrio, se realizaron las correspondientes modificaciones para la toma de datos
(Tabla 2).
Tabla 2. Modificaciones realizadas en el procedimiento experimental.
Método bibliográfico Trabajo experimental
Vidrios de tamaño 15 mm x 25 mm Vidrios de tamaño 26 mm x 76 mm
Contenedor = vial Contenedor = vaso de 100 mL
Tolueno para cubrir toda la superficie (10 mL)
Tolueno para cubrir la mitad de la superficie (40 mL)
95 μL metiltriclorosilano 95 x 4 = 380 μL metiltriclorosilano
0.35 mL octadeciltriclorosilano 0.35 x 4 = 1.4 mL
octadeciltriclorosilano
0.25 mL Ácido clorhídrico (37% en peso)
0.25 x 4 = 1 ml Ácido clorhídrico (37% en peso)
En función de las modificaciones realizadas, la reacción tiene lugar en la mitad de la
superficie del portaobjetos de vidrio. Se tapó el vaso de 100 mL con papel film bien
sellado para evitar la fuga de gases liberados en la reacción. Todo el procedimiento se
llevó a cabo en vitrina con campana de extracción.
42
RESULTADOS DEL TRATAMIENTO CON OCTADECILTRICLOROSILANO
Se realizaron 10 réplicas de la reacción de octadeciltriclorosilano con ácido clorhídrico
en tolueno obteniéndose los resultados expuestos en la Tabla 3. El resultado es
expresado con su intervalo de confianza (IC) al 95%, este se calcula mediante la
siguiente expresión18:
n
stxIC )(1 (3)
donde t es un parámetro estadístico dado por la distribución t de Student que se
encuentra tabulado en función del nivel de confianza (α) y el número de grados de
libertad (n – 1) y s es la desviación estándar de la media de los datos.
Tabla 3. Ángulos de contacto obtenidos mediante el tratamiento con octadeciltriclorosilano.
Muestra Tiempo de reacción (horas)
Agitación Ángulo de
contacto (°) Medida (°)
1 1.5 No 107.447
110 ± 3
2 1.5 No 107.297
3 1.5 No 109.495
4 1.5 No 108.664
5 1.5 No 108.122
6 1.5 No 109.079
7 1.5 No 108.202
8 1.5 No 111.163
9 1.5 No 113.375
10 1.5 No 118.680
El ángulo de contacto obtenido, 110 ± 3°, está en el intervalo del publicado en el
artículo de referencia7, 112 ± 3°.
18 J. N. Miller y J. C. Miller, Estadística y quimiometría para química analítica, Prentice Hall, Madrid,
2002.
43
Una vez realizado el correspondiente tratamiento se observó un recubrimiento
cristalino de aspecto opaco sobre la superficie del vidrio (ver Figura 22). Una breve
limpieza de la superficie permite volver a obtener la característica propiedad de
transparencia del vidrio sin la perdida de sus propiedades hidrofóbicas.
Figura 22. Capa cristalina formada sobre la superficie del vidrio.
Se han obtenido superficies con excelentes propiedades hidrófobas. sin pérdida de
transparencia y en un tiempo relativamente corto. En la Figura 23 se expone una
comparación entre vidrios antes y después del tratamiento químico.
Figura 23. Comparación entre un vidrio no tratado (izquierda) y uno tratado (derecha).
44
RESULTADOS DEL TRATAMIENTO CON METILTRICLOROSILANO
A continuación, en la Tabla 4, se exponen los resultados obtenidos para el tratamiento
con metiltriclorosilano en distintas condiciones de reacción (tiempo de reacción y
agitación).
Tabla 4. Ángulos de contacto obtenidos mediante un tratamiento con Metiltriclorosilano.
Para un tiempo de reacción de 5 horas, sin agitación y utilizando como reactivo el
metiltriclorosilano, condiciones publicadas, el ángulo de contacto promedio fue 138 ±
5°, inferior al resultado obtenido en el artículo de referencia (152 ± 3°)7. Debido a ello,
se procedió a estudiar cómo influyen las variables del tiempo de reacción y la
agitación.
Para un tiempo de reacción de 24 horas y sin agitación el ángulo de contacto promedio
hallado fue 147 ± 9° mientras que para un tiempo de reacción de 5 horas y con
agitación el ángulo de contacto promedio hallado fue 148 ± 5°.
Se observa que aumentando el tiempo de reacción y agitando las muestras durante el
tratamiento se incrementa el ángulo de contacto medido, acercándose al de
referencia.
Al contrario que lo citado en la publicación revisada, los resultados obtenidos indican
una clara pérdida de la transparencia del vidrio. Una vez finalizado el tratamiento los
vidrios presentan en su superficie una capa blanquecina no uniforme (Figura 24). La
eliminación de esta capa se traduce en la perdida de las propiedades
superhidrofóbicas del material.
Muestra Tiempo de
reacción (horas) Agitación
(Si/No) Ángulo de
contacto (°) Medida (°)
1 5 No 140.268
138 ± 5 2 5 No 138.499
3 5 No 136.640
4 24 No 143.093
147 ± 9 5 24 No 150.420
6 24 No 148.504
7 5 Si 142.276
148 ± 13 8 5 Si 148.136
9 5 Si 152.478
45
Figura 24. Recubrimiento blanquecino formado que reduce la transparencia
Además, debido a la escasa homogeneidad de la capa formada sobre la superficie del
material podemos observar distintos grados de hidrofobicidad dentro del mismo
vidrio, tal como se muestra en la Figura 25. Este hecho explica la alta dispersión de los
resultados de la Tabla 4.
Figura 25. Distintos grados de hidrofobicidad observados dentro de una misma muestra.
En las zonas más hidrofóbicas del vidrio donde la capa formada tras la reacción
adquiere un tono más blanco, se produce un fenómeno de autolimpieza más eficaz. Es
decir un rápido deslizamiento de las gotas de agua a lo largo de la superficie cuando se
las somete a una ligera inclinación.
Por otro lado hay ciertas zonas donde las gotas depositadas quedan adheridas a pesar
de mostrar cierto carácter hidrófobo.
46
INFLUENCIA DEL PORTAOBJETOS UTILIZADO
Durante la realización de las últimas pruebas con metiltriclorosilano se agotaron los
portaobjetos de marca Labbox, y se comenzó a utilizar otros de SCHARLAB,
observándose que la medida del ángulo de contacto sobre estos últimos vidrios, una
vez tratados con las condiciones de referencia, mejoraba notablemente. Por ello se
decidió continuar con las medidas en las condiciones de referencia con la marca de
portaobjetos de SCHARLAB.
Se realizaron 10 réplicas en iguales condiciones observándose un dato
sospechosamente bajo en comparación con el resto. Aplicando un ensayo Q de Dixon18
se validó si el dato dudoso 136.425° debía rechazarse. Para un nivel de confianza del
95% y N=10 Qc = 0.466, como Qobs (0.5) > Qc (0.466) el resultado dudoso se rechaza.
Tabla 5. Ángulos de contacto obtenidos mediante un tratamiento con Metiltrilclorosilano utilizando
portaobjetos de vidrio de marca SCHARLAB.
Muestra Ángulo de contacto (°) Resultado (°)
1 136.425
153 ± 3
2 148.155
3 160.412
4 154.042
5 156.802
6 153.054
7 149.201
8 151.695
9 153.104
10 154.817
Se aprecia un aumento del ángulo de contacto medio obtenido respecto a la marca de
portaobjetos Labbox, 138 ± 5°. El recubrimiento sintetizado genera ángulos de
contacto por encima del umbral de la superhidrofobia (150°) y se aproxima a los
resultados obtenidos de la bibliografía7, 152 ± 3°. Adicionalmente también se
obtuvieron vidrios con una mayor transparencia, aunque no completa dado que
también se observaron zonas opacas.
Los mayores ángulos obtenidos alcanzaban cifras de hasta 160° como a continuación
se presenta en la Figura 26.
47
Figura 26. Imagen de una gota sobre una superficie superhidrofóbica.
Por otra parte. el recubrimiento sobre estos portaobjetos no mejoró en homogeneidad
ya que ciertas zonas de cada muestra no presentaban siquiera propiedades hidrófobas
(ángulos de contacto mayores de 90°).
A la luz de la diferencia de los resultados obtenidos respecto al tipo de portaobjetos
utilizado se repitieron los tratamientos con octadecitriclorosilano, esta vez utilizando
portaobjetos de la marca SCHARLAB. En la Tabla 6 se exponen los resultados obtenidos
expresados con un intervalo de confianza del 95%.
Tabla 6. Ángulos de contacto obtenidos mediante el tratamiento con octadeciltriclorosilano
(Portaobjetos SCHARLAB)
Muestra Tiempo de reacción (horas)
Agitación Ángulo de
contacto (°) Medida (°)
1 1.5 No 118.340
121 ± 5
2 1.5 No 123.725
3 1.5 No 120.191
4 1.5 No 115.671
5 1.5 No 135.720
6 1.5 No 125.014
7 1.5 No 116.534
8 1.5 No 111.519
9 1.5 No 126.274
10 1.5 No 120.253
Al igual que en el tratamiento con metiltriclorosilano el cambio de marca de
portaobjetos se traduce en un aumento de los valores del ángulo de contacto. En este
caso el resultado obtenido, 121 ± 5°, excede el valor hallado en el artículo
bibliográfico7 de 112 ± 3°.
48
Al igual que con la otra marca de portaobjetos (Labbox) el vidrío conserva su
transparencia típica y el recubrimiento se aplica de manera homogénea a largo de la
superficie de la muestra.
49
INFLUENCIA DEL TRATAMIENTO EN LA TRANSPARENCIA DEL
PORTAOBJETOS
A pesar de que, en principio, el tratamiento aplicado a los vidrios no tendría que
afectar a la transparencia de los mismos7, sí que se observó un recubrimiento
blanquecino en alguna de las muestras tratadas con metiltriclorosilano. Así, para
comprobar el efecto real del tratamieno aplicado se llevó a cabo la medida de la
transmitancia de los vidrios tratados y sin tratar. Todos los vidrios fueron de la marca
SCHARLAB ya que fueron los que dieron mejores resultados.
El experimento se llevó a cabo en un espectrómeto PDA UV-Vis Lambda 265 de Perkin
Elmer, en el intervalo de longitudes de onda de 400 a 900 nm y tomado como blanco el
espectro del aire en el mismo intervalo. Los resultados se exponen en la Figura 27.
400 500 600 700 800 900
76
78
80
82
84
86
88
90
92
94
Tra
nsm
ita
ncia
/%
/nm
Vidrio sin tratar
Vidrio hidrofóbico
Vidrio superhidrofóbico
Figura 27: Espectro de transmitancia de los vidrios tratados y sin tratar.
Puede observarse que la transmitancia de los vidrios es superior al 80% en todo el
intervalo medido. En el caso del vidrio hidrofóbico el tratamiento parece no afectar en
absoluto a las propiedades de transparencia del vidrio (los valores de transmitancia
por encima del vidrio tratado seguramente se traten de ruido en la medida).
En el caso del vidrio superhidrofóbico el tratamiento provoca una pérdida de
transmitancia en el intervalo de 400 a 600 nm, aproximadamente, mientras que por
encima de esta ultima la trasmitancia aumenta aunque no es en un valor considerable.
En resumen, se concluye que los tratamientos realizados no afectan de manera
importante a la trasparencia del vidrio tratado, si bien el vidrio superhidrofóbico
presenta unas propiedades ligeramente peores que el resto, algo que se observa a
simple vista dado que en algunas muestras se puede apreciar un recubrimiento
blanquecino.
50
RESULTADOS DERIVADOS DE LA UTILIZACIÓN DE PLASMA FRÍO
ATMOSFÉRICO COMO PRETRATAMIENTO.
En el tiempo total que ha abarcado la investigación con plasma se han realizado dos
series de experimentos. Cada serie se ha llevado a cabo con unos parámetros y
variables de inducción de plasma distintos pero con idéntico tratamiento químico en
ambas (Reactivo = metiltriclorosilano), con el fin de observar si el tratamiento con
plasma mejora el ángulo de contacto. En cada serie de experimentos se utilizó una
marca diferente de portaobjetos. En las tablas presentadas a continuación se expone
una parte de los resultados obtenidos considerando las variables que han resultados
más interesantes. En el Anexo 1 pueden encontrarse las tablas con todas las variables
estudiadas.
PRIMERA FASE DE EXPERIMENTOS
Se realizaron un total de 6 experimentos en diferentes condiciones de trabajo sobre
portaobjetos de la marca Labbox. Para conocer el efecto del uso del plasma, se midió
en cada muestra el ángulo de contacto en la cara tratada con plasma así como en la no
tratada. Este hecho duplica el número de réplicas a medir pero permite realizar un
análisis comparativo. En la Tabla 7 se exponen los resultados obtenidos para el
experimento a una velocidad 17mm/s, GAP= 3 mm y gases de inyección N2, aire y Ar
Al igual que en los anteriores tratamientos con metiltriclorosilano se obtiene una capa
blanquecina que disminuye la transparencia óptica y que constituye la única zona con
propiedades hidrófobas de la muestra (ver Figura 28).
Figura 28. Superficie opaca de una muestra de vidrio tras el tratamiento químico.
Los resultados obtenidos no son totalmente concluyentes ya que se observa una gran
variación en los ángulos de contacto medidos, lo que no permite optar por la elección
de unas condiciones de tratamiento determinadas. No obstante, se observa de manera
general que las caras no tratadas con el plasma generan ángulos de contacto mayores
que las caras tratadas. Así parece que el tratamiento con plasma favorece la
51
deposición de diferentes óxidos circundantes en el ambiente que dificultarían la
interacción de los organosilanos con la superficie del vidrio.
Tabla 7. Ángulos de contacto obtenidos en la primera fase de experimentos. Condiciones del
experimento: velocidad 17 mm/s, GAP= 3mm.
Muestra Gas Potencia
(W) Cara
tratada Medida (°)
1 N2 300 Sí 130 ± 77
1 N2 300 No 142 ± 17
2 N2 500 Sí 121 ± 41
2 N2 500 No 149 ± 95
3 Aire 300 Sí 148 ± 43
3 Aire 300 No 125 ± 18
4 Aire 500 Sí 120 ± 24
4 Aire 500 No 135
5 Ar 70 Sí 131 ± 113
5 Ar 70 No 141 ± 178
6 Ar 90 Sí 134 ± 24
6 Ar 90 No 147 ± 103
52
SEGUNDA FASE DE EXPERIMENTOS
A la vista de los resultados obtenidos en la primera fase de experimentos con plasma,
se decidió utilizar un tratamiento menos agresivo, aumentado la velocidad de
inyección sobre la superficie, ya que de esta forma el tiempo de deposición de plasma
es menor. Se fijó el GAP en 6 mm para disminuir también así el impacto del plasma
sobre el vidrio. Además, hay que señalar que la falta de disponibilidad de portaobjetos
de la marca Labbox condicionó la utilización a portaobjetos de la marca SCHARLAB en
esta segunda fase de experimentos. En la Tabla 8 de presentan los resultados
obtenidos en esta segunda fase de experimentos.
53
Tabla 8. Ángulos de contacto obtenidos en la segunfa fase de experimentos. GAP= 6 mm.
Muestra Gas Potencia
(W) Velocidad
(mm/s) Cara
tratada Ángulo de contacto (°)
1 N2 300 30 Sí 158 ± 16
2 N2 300 30 No 147 ± 11
3 N2 300 60 Sí 154 ± 24
4 N2 300 60 No 160 ± 8
5 N2 500 30 Sí 153 ± 25
6 N2 500 30 No 136 ± 54
7 N2 500 60 Sí 143 ± 5
8 N2 500 60 No 159 ± 6
9 Aire 300 30 Sí 144 ± 16
10 Aire 300 30 No 153 ± 24
11 Aire 300 60 Sí 148 ± 1
12 Aire 300 60 No 154 ± 22
13 Aire 500 30 Sí 150 ± 42
14 Aire 500 30 No 149 ± 11
15 Aire 500 60 Sí 156 ± 17
16 Aire 500 60 No 147 ± 12
17 Ar 70 30 Sí 152 ± 22
18 Ar 70 30 No 157 ± 7
19 Ar 70 60 Sí 150 ± 11
20 Ar 70 60 No 151 ± 7
21 Ar 90 30 Sí 151 ± 4
22 Ar 90 30 No 147 ± 31
23 Ar 90 60 Sí 161 ± 15
24 Ar 90 60 No 149 ± 22
Los portaobjetos obtenidos en esta segunda fase de experimentos tras el tratamiento
químico con metiltriclorosilano no presentaban las zonas blanquecinas opacas
anteriormente citadas (Figura 24). En todos los casos eran vidrios de apariencia
transparente y presentaban buenas propiedades de autolimpieza. Excepcionalmente,
alguna muestra presentaba pequeñas zonas opacas en las que las propiedades
hidrófobas disminuían considerablemente, hasta el punto de que la gota se quedaba
pegada en la superficie.
Los ángulos de contacto obtenidos en la fase 2 experimentaron un aumento
considerable respecto a los de la fase 1 pero este aumento afecta tanto a las caras
54
tratadas como a las no tratadas de la muestra, por lo que el factor de la marca de
vidrio también puede estar presente en estos experimentos.
En la fase 2 la dispersión en los resultados obtenidos para cada muestra aún siendo
grande ha disminuido considerablemente respecto a la anterior fase lo cual indica que
los recubrimientos sintetizados son mucho más homogéneos sobre la superficie.
A las caras no tratadas solo se les ha aplicado tratamiento químico por lo que los
resultados en ambas fases deberían ser al menos parecidos. Sin embargo no es así, al
igual que en los anteriores tratamientos realizados una posible explicación a estos
hechos radica en el material vítreo utilizado.
Como resumen se puede comentar que, los resultados usando N2 como gas ionizable
no son concluyentes. Para aire se obtienen mejores resultados aumentando el GAP, la
velocidad y la potencia y para Ar aumentado el GAP y la potencia en el caso de ambas
velocidades de barrido estudiadas en la Tabla 8.
Es importante citar que el mayor ángulo de contacto que se ha obtenido en todos los
experimentos es de 165.83° en la cara tratada del vidrio con el plasma de Ar, GAP=
6mm, potencia= 90 W y v=60 mm/s (ver Figura 29 y condiciones en anexo 1).
Figura 29. Gota con un ángulo de contacto de 165.84°.
55
56
Conclusiones
La aplicación de recubrimiento basados en organosilanos mediante tratamiento
químico se ha realizado exitosamente, obteniéndose así ángulos de contacto
superiores a 90° (hidrofóbicos) y 150° (superhidrofóbicos).
Se ha construido un dispositivo experimental económico y de fácil montaje que ha
permitido llevar a cabo la medición de ángulos de contacto con una precisión
contrastada con el artículo de referencia.
Se ha constatado a partir de los resultados de ángulos de contacto obtenidos que
las diferentes estructuras químicas de los reactivos utilizados
(octadeciltriclorosilano y metiltriclorosilano) inducen diferente grado de
hidrofobicidad al material vítreo de muestra.
Los resultados obtenidos se aproximan a los bibliográficos aunque se observa cierta
dispersión producida por la gran cantidad de variables de las que hemos observado
que depende el tratamiento. Un punto importante es la marca del portaobjetos
utilizado.
Tal y como indican los resultados de la bibliografía se ha comprobado, mediante la
obtención de los espectros de transmitancia en la zona UV-Visible, que los
recubrimientos hidrófobos sintetizados no conllevan una disminución importante
de la transparencia propia del vidrio, si bien es el metiltriclorosilano el que provoca
una mayor pérdida de la trasmitancia (T ≈80%).
En cuanto a la aplicación del pretratamiento del vidrio con plasma frío, no se ha
concluido si este tratamiento es más eficaz que el encontrado en bibliografía dada
la gran dispersión de los datos obtenidos, siendo necesaria una ampliación de esta
parte del estudio.
El mayor ángulo de contacto que se ha obtenido ha sido 165.83°, utilizando plasma
de Ar, GAP= 6mm, potencia= 90 W y v=60 mm/s como pretratamiento a la reacción
con metiltriclorosilano. Sin embargo hay que comprobar la repetibilidad de este
resultado.
57
1
Anexo
2
RESULTADOS DERIVADOS DE LA UTILIZACIÓN DE PLASMA FRÍO
ATMOSFÉRICO COMO PRETRATAMIENTO.
En las tablas 1 y 2 se muestran los resultados obtenidos teniendo en cuenta todos los
parámetros de inducción de plasma para las fases 1 y 2. Incluyen todas las réplicas
realizadas en el proceso experimental.
Tabla 1. Ángulos de contacto obtenidos en la fase 1 para un GAP de 3 mm.
Gas Potencia
(W) Velocidad
(mm/s)
Cara tratada/no
tratada
Zona de medida
(gas/reacción)
Ángulo de contacto
(°) Media
1 N2 300 17 Tratada Gas 130,629
123,517 1 N2 300 17 Tratada Gas 118,602
1 N2 300 17 Tratada Gas 121,320
1 N2 300 17 Tratada Reacción 136,513 130,488
1 N2 300 17 Tratada Reacción 124,463
1 N2 300 17 No tratada Gas 120,182
139,998 1 N2 300 17 No tratada Gas 150,923
1 N2 300 17 No tratada Gas 148,889
1 N2 300 17 No tratada Reacción 140,812 142,112
1 N2 300 17 No tratada Reacción 143,412
2 N2 500 17 Tratada Gas 111,507 115,596
2 N2 500 17 Tratada Gas 119,685
2 N2 500 17 Tratada Reacción 117,269 120,504
2 N2 500 17 Tratada Reacción 123,739
2 N2 500 17 No tratada Gas 121,833 138,308
2 N2 500 17 No tratada Gas 154,782
2 N2 500 17 No tratada Reacción 156,206 148,713
2 N2 500 17 No tratada Reacción 141,219
3 Aire 300 17 Tratada Gas 120,475 129,323
3 Aire 300 17 Tratada Gas 138,171
3 Aire 300 17 Tratada Reacción 151,193 147,787
3 Aire 300 17 Tratada Reacción 144,380
3 Aire 300 17 No tratada Gas 140,337
147,549 3 Aire 300 17 No tratada Gas 143,445
3 Aire 300 17 No tratada Gas 151,652
3 Aire 300 17 No tratada Reacción 123,969 125,420
3
3 Aire 300 17 No tratada Reacción 126,870
4 Aire 500 17 Tratada Gas 152,633 140,392
4 Aire 500 17 Tratada Gas 128,151
4 Aire 500 17 Tratada Reacción 122,030 120,116
4 Aire 500 17 Tratada Reacción 118,202
4 Aire 500 17 No tratada Gas 143,607
145,385 4 Aire 500 17 No tratada Gas 148,124
4 Aire 500 17 No tratada Gas 144,425
4 Aire 500 17 No tratada Reacción 135,250 135,250
5 Ar 70 17 Tratada Gas 122,599 134,885
5 Ar 70 17 Tratada Gas 147,170
5 Ar 70 17 Tratada Reacción 122,388 131,250
5 Ar 70 17 Tratada Reacción 140,111
5 Ar 70 17 No tratada Gas 140,637
144,126 5 Ar 70 17 No tratada Gas 138,061
5 Ar 70 17 No tratada Gas 153,679
5 Ar 70 17 No tratada Reacción 126,463 140,499
5 Ar 70 17 No tratada Reacción 154,534
6 Ar 90 17 Tratada Gas 157,016 145,469
6 Ar 90 17 Tratada Gas 133,921
6 Ar 90 17 Tratada Reacción 132,269 134,143
6 Ar 90 17 Tratada Reacción 136,016
6 Ar 90 17 No tratada Gas 154,269 147,336
6 Ar 90 17 No tratada Gas 140,403
6 Ar 90 17 No tratada Reacción 138,759 146,879
6 Ar 90 17 No tratada Reacción 154,998
4
Tabla 2. Ángulos de contacto obtenidos en la fase 2 para un GAP de 6 mm.
Muestra Gas Potencia
(W) Velocidad
(mm/s) Cara tratada/no
tratada Ángulo de
contacto (°) Media
7 Ar 70 30 Tratada 157,046
152,202 7 Ar 70 30 Tratada 142,011
7 Ar 70 30 Tratada 157,548
7 Ar 70 30 No tratada 154,023
156,912 7 Ar 70 30 No tratada 159,731
7 Ar 70 30 No tratada 156,982
8 Ar 70 60 Tratada 153,754
149,586 8 Ar 70 60 Tratada 144,657
8 Ar 70 60 Tratada 150,348
8 Ar 70 60 No tratada 151,536
150,719 8 Ar 70 60 No tratada 147,580
8 Ar 70 60 No tratada 153,042
9 Ar 90 30 Tratada 149,499
151,111 9 Ar 90 30 Tratada 152,960
9 Ar 90 30 Tratada 150,873
9 Ar 90 30 No tratada 139,542
146,391 9 Ar 90 30 No tratada 139,009
9 Ar 90 30 No tratada 160,622
10 Ar 90 60 Tratada 161,980
160,581 10 Ar 90 60 Tratada 153,932
10 Ar 90 60 Tratada 165,831
10 Ar 90 60 No tratada 144,508
149,325 10 Ar 90 60 No tratada 143,962
10 Ar 90 60 No tratada 159,504
11 Aire 300 30 Tratada 143,553
144,668 11 Aire 300 30 Tratada 138,732
11 Aire 300 30 Tratada 151,720
11 Aire 300 30 No tratada 155,820
153,296 11 Aire 300 30 No tratada 142,583
11 Aire 300 30 No tratada 161,484
12 Aire 300 60 Tratada 147,358
148,030 12 Aire 300 60 Tratada 148,839
12 Aire 300 60 Tratada 147,893
12 Aire 300 60 No tratada 143,460 153,613
5
12 Aire 300 60 No tratada 157,306
12 Aire 300 60 No tratada 160,073
13 Aire 500 30 Tratada 159,911
149,934 13 Aire 500 30 Tratada 130,537
13 Aire 500 30 Tratada 159,353
13 Aire 500 30 No tratada 154,341
149,283 13 Aire 500 30 No tratada 147,604
13 Aire 500 30 No tratada 145,904
14 Aire 500 60 Tratada 154,529
156,368 14 Aire 500 60 Tratada 150,528
14 Aire 500 60 Tratada 164,047
14 Aire 500 60 No tratada 151,482
147,237 14 Aire 500 60 No tratada 141,944
14 Aire 500 60 No tratada 148,286
15 N2 300 30 Tratada 159,022
157,589 15 N2 300 30 Tratada 150,481
15 N2 300 30 Tratada 163,263
15 N2 300 30 No tratada 150,359
147,431 15 N2 300 30 No tratada 149,800
15 N2 300 30 No tratada 142,133
16 N2 300 60 Tratada 163,506
153,985 16 N2 300 60 Tratada 154,237
16 N2 300 60 Tratada 144,211
16 N2 300 60 No tratada 163,024
160,401 16 N2 300 60 No tratada 157,005
16 N2 300 60 No tratada 161,173
17 N2 500 30 Tratada 158,068
153,389 17 N2 500 30 Tratada 142,055
17 N2 500 30 Tratada 160,043
17 N2 500 30 No tratada 149,382
135,737 17 N2 500 30 No tratada 110,616
17 N2 500 30 No tratada 147,213
18 N2 500 60 Tratada 142,442
143,848 18 N2 500 60 Tratada 146,183
18 N2 500 60 Tratada 142,919
6
18 N2 500 60 No tratada 159,799
159,359 18 N2 500 60 No tratada 161,666
18 N2 500 60 No tratada 156,612