Riassunto analitico
Il metodo delle Breath Figures (BF) permette di ottenere superfici polimeriche a porosità controllata, con cavità disposte secondo schemi ordinati, utilizzabili in diversi settori scientifici e tecnologici. Tale tipo di approccio, semplice ed economico, è basato sulla condensazione di gocce d’acqua sulla superficie di soluzioni polimeriche diluite in seguito al raffreddamento della superficie stessa a causa dell’evaporazione del solvente. Queste gocce si auto-assemblano sulla superficie polimerica secondo schemi geometrici ordinati, lasciando cavità disposte in modo regolare dopo completa evaporazione sia del solvente che dell’acqua. Relativamente alle applicazioni pratiche, superfici polimeriche a porosità controllata possono collocarsi all’interno del settore automotive come coatings antiriflettenti e ultraidrofobi. Lo stesso metodo, inoltre, può anche essere utilizzato per produrre membrane a porosità submicronica controllata per realizzare filtri, eventualmente impiegabili anche nel settore meccanico ed in particolare del veicolo. Sebbene le BF siano un fenomeno noto qualitativamente da anni, non è ancora chiaro il loro meccanismo di formazione, che si ipotizza legato a vari parametri, connessi alle condizioni in cui vengono prodotte tali figure (ad esempio tipo di polimero e solvente, umidità) e che probabilmente sfrutta anche fenomeni di instabilità termodinamica quali, ad esempio, l’effetto Marangoni, nella fase di definizione dello schema ordinato di cavità. È evidente quindi, l’interesse per uno studio sistematico dei parametri che influenzano la formazione delle BF, così da poter, in futuro, controllare in maniera efficace, ed efficiente, un processo che a tutt’ora è studiato quasi esclusivamente dal punto di vista qualitativo. Nel lavoro condotto sono stati studiati sistematicamente alcuni dei fattori che influenzano il fenomeno, in particolare l’effetto del solvente e del substrato, nel caso della preparazione di film porosi in polistirene. In questo senso è stata effettuata una valutazione quantitativa della regolarità dei pori ottenuti, utilizzando differenti software per l’analisi di immagine, uno dei quali sviluppato appositamente per questo scopo. Dallo studio è emerso che l’affinità termodinamica tra polimero e solvente è un fattore chiave nella formazione delle BF, così come le caratteristiche del solvente, quali miscibilità con l’acqua, temperatura di ebollizione, entalpia di evaporazione. Le ricerche hanno evidenziato che l’effetto del substrato è significativo, ma strettamente legato al tipo di solvente. L’effetto del tipo di polimero e degli additivi è stato indagato preparando film porosi di stirene-co-acrilonitrile (SAN) a cui era stato aggiunto l’additivo Jeffamine (diammina con struttura di polietilenglicole). In questa fase è stato confermato che la componente idrofila favorisce la regolarità dei film porosi. Infine, il metodo delle BF è stato utilizzato, tramite opportuna scelta delle coppie polimero-solvente, per produrre film polimerici con morfologia micro-particellare. Anche in questo caso la morfologia superficiale conferisce al materiale proprietà che possono essere potenzialmente sfruttate in vari campi, da quello della sensoristica fino all’impiego come materiali per coatings ultraidrofobi.
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Abstract
The Breath Figures method allows to obtain polymer surfaces with controlled porosity, with pores arranged in ordered patterns, that can be used in various fields.
This approach is simple and economical because it is based on the condensation of water droplets on the surface of dilute polymer solutions. The condensation of water droplets occurs because of the cooling of the surface due to evaporation of the solvent. These droplets self-assemble on the polymer surface generating ordered geometric patterns, thus leaving regularly arranged pores after the complete evaporation of the solvent and water.
With regard to practical applications, polymer surfaces with controlled porosity can be used in the automotive field as anti-reflective or ultra-hydrophobic coatings.
The same method can also be used to produce membranes with controlled porosity to prepare filters, that can be employed in the mechanical and/or automotive field.
From a qualitatively point of view the BF phenomenon is quite well known, even if the mechanism of formation is still not clear. It is linked to several parameters, related to the conditions in which these figures are produced (eg. type of polymer and solvent, humidity). Probably the mechanism of formation involves thermodynamic instabilities, for example the Marangoni effect, in the definition of the ordered pattern of pores.
It is clear that there is a strong interest for a systematic study of the parameters influencing the BF formation, in order to control, in the future, a process that is still studied almost exclusively from a qualitatively point of view.
This PhD work reports a detailed investigation of the role played by the solvent in the process of BF generation from polystyrene (PS) solutions spread over different substrates, and discuss the geometrical aspects of the pores by a quantitative point of view by using a purposely developed software for image analysis. Results show that thermodynamic affinity between polymer and solvent is the key parameter for BFs formation, along with other solvent characteristics such as water miscibility, boiling point and enthalpy. According to our findings, the role played by the substrate is strictly related to the type of solvent used in the generation of BF.
The effect of the type of polymer and additives was investigated by preparing porous films of styrene-co-acrylonitrile (SAN) added with a Jeffamine (polyethyleneglycol diamine terminated). From our experiments it was confirmed that the hydrophilic component improves the regularity of the porous films.
Finally, the BF method was used, with an appropriate choice of the polymer-solvent pair, to produce polymer films with particulate surface morphologies. In this case, the surface morphology gives to the material some properties that can be potentially exploited in various fields, from sensors to the use as materials for ultra-hydrophobic coatings.
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