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Science-Technology

Published on November 11, 2008

Author: paola_chem

Source: authorstream.com

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Slide 1: Corso Avanzato AICTC - S. Vittoria d'Alba, 21 Maggio 2007 Dalla fisica delle superfici alle modificazioni di fibre tessili Fondamenti e metodi di modificazione fisico-chimica II PARTE P. Rivolo Slide 2: Proprietà delle superfici: definizioni (1) IDROFILICITA’: dal greco (hydros) “acqua" e (philia) “amicizia“, si riferisce alla proprietà di una molecola di legare l’acqua attraverso la formazione di ponti idrogeno (H-bonding): processo termodinamicamente favorito. permette la solubilità delle sostanze in acqua e, in genere, in solventi polari. Una molecola idrofilica: contiene tipicamente una polarizzazione di carica che le permette di dare legame idrogeno. è una molecola polare. Materiale idrofilico: un materiale che presenta affinità per l’acqua, adsorbendola rapidamente la chimica superficiale è tale da permettere la formazione di legami idrogeno con l’acqua un materiale idrofilico è comunemente detto POLARE. Slide 3: IDROFOBICITA’: dal greco (hydros) “acqua" e (phobia) “paura“, in chimica descrive il comportamento di una molecola che viene “respinta” dall’acqua. Molecole idrofobiche: in acqua tendono ad aggregarsi (scarsa o nulla solubilità) tendono ad essere a-polari e tendono a solubilizzarsi in solventi a-polari. Materiali idrofobici: mostrano una risposta all’acqua opposta rispetto a quella dei materiali idrofilici. presentano una chimica superficiale priva di gruppi attivi in grado di dare legame idrogeno con l’acqua o solventi polari. non contengono polarizzazioni di carica, per tale motivo sono anche definiti APOLARI. Proprietà delle superfici: definizioni (2) Slide 4: TENSIONE SUPERFICIALE: le forze di coesione tra molecole in un liquido sono responsabili del fenomeno conosciuto come tensione superficiale. Tensione superficiale Proprietà delle superfici: definizioni (3) Le molecole di superficie si attraggono tra loro più fortemente di quanto facciano le molecole non di superficie e formano una “pellicola”. La forza necessaria per rompere tale pellicola è espressa in mN/m (i milliNewton da applicare per metro di pellicola)  Unità di misura della tensione superficiale Slide 5: Tensione superficiale H2O: esempi La tensione superficiale dell’acqua decresce all’aumentare della temperatura  bagnabilità maggiore delle superfici con acqua calda!!  la presenza di saponi e detergenti la abbassa ulteriormente. Liquido ad elevata tensione superficiale:elevato momento di dipolo  presenza di ossidrili (-OH)  forti attrazioni intermolecolari Slide 6: ENERGIA SUPERFICIALE: se una superficie presenta gruppi polari in grado di dare interazioni sufficientemente forti da superare le forze attrattive intermolecolari del liquido induce la “rottura” delle gocce e la formazione di un film sulla superficie  BAGNABILITA’ , SPREADING E’ comune la denominazione: superfici ad alta energia (superfici idrofiliche) superfici a bassa energia (superfici idrofobiche) Polimeri come il polietilene e il polipropilene sono esempi di superfici a bassa energia: le forze tra le catene idrocarburiche che costituiscono i polimeri sono deboli (forze dispersive) e di conseguenza liquidi polari come l’H2O tendono a formare, sulla superficie, delle gocce anzichè un film. Proprietà delle superfici: definizioni (4) Slide 7: Funzionalizzazione superficiale: modifiche della composizione chimica di una superficie incorporando elementi particolari o gruppi funzionali che possono produrre vari effetti desiderati o migliorare alcune proprietà della superficie (o dell'interfaccia). Gruppo funzionale: una parte della struttura di una molecola caratterizzata da specifici elementi e da una struttura ben precisa, che conferisce al composto una reattività tipica e simile a quella di altri composti contenenti lo stesso gruppo. Chimica delle superfici Slide 8: Gruppi chimici funzionali Modificano le proprietà di superficie: idrofilia/idrofobia Fungono da linkers atti legare covalentemente altre molecole (adesione film sottili, applicazioni biologiche, diagnostica, sensorisitica, ecc.) Slide 9: Alcuni esempi Catene perfluorurate per applicazioni “anti-stiction” per MEMS Tioli e organo-silani per applicazioni nel campo delle tecnologie per la biologia (genomica- proteomica) Slide 10: Fibre tessili Ogni singola fibra è costituita da milioni di singole catene organiche macromolecolari aventi una ben definita struttura chimica. L’arrangiamento e l’orientazione di queste molecole all’ interno di una singola fibra influiscono sulle proprietà della fibra stessa. Ma è soprattutto la struttura chimica a determinarne le proprietà. Slide 11: Struttura chimica Slide 12: Proprietà  applicazione Idrofilia e capillarità Tintura Idrofobia Idro e olio-repellenza antisporco Antibatterico Antifiamma Tessuti intelligenti (rilascio controllato di farmaci/cosmetici) Fibre tessili: aspetti tecnologici delle proprietà di superficie e loro modifica cellulosiche  natura idrofila proteiche  natura idrofoba sintetiche  natura idrofoba (chimica dei materiali polimerici) Modificazione proprietà superficiali: Tecniche per via secca: Trattamenti con plasma su fibre/tessuti Tecniche per via umida: Dispersione di nanoparticelle sulla superficie di fibre/tessuti Slide 13: Fibre tessili: metodi di modifica Plasma: Tecnologia secca (ecologica e a basso impatto ambientale) Interviene su: grado interazione liquidi/gas e tessuto proprietà meccaniche (resistenza all’abrasione) Ovvero: Interazione plasma/superficie Dissociazione: formazione di radicali chimicamente attivi Interazione con specie chimiche attive: molecole, radicali, monomeri, ... Slide 14: Alcuni esempi C.W. Kan et al. : Journal of Mat. Process. Technol. 83 (1998) 180–184 Dopo trattamento in plasma di N2, su fibra di lana, aumento della velocità di tintura con CI Acid Red 183 Non trattato Trattato G. Borcia et al. / Surface & Coatings Technology 201 (2006) 3074–3081 Plasma DBD in aria su nylon, omogeneità di idrofilizzazione del tessuto Non trattato Trattato Slide 15: Polimerizzazione via plasma: Deposizione di film sottili a partire da monomeri Film sottili ad alta ritenzione di gruppi funzionalizzanti Deposizione di copolimeri e aumento dell’adesione del film Applicabilità su tutti i substrati, planari e fibrosi Alcuni esempi Polisilossano (plasma in HDMSO + N2) depositato su rayon Non trattato Trattato pdAA (plasma in Acido Acrilico + N2) depositato su fibre di cotone e pdAA + TiO2 depositato su fibre di poliestere Trattati Non trattato Slide 16: Funzionalizzazione per “via umida” “Functionalisation of textiles by inorganic sol–gel coatings”, B. Mahltig, H. Haufe and Horst Bottcher, Journal of Materials Chemistry, 2005, (41),4385-4398. Ad esempio molecole funzionali o particelle inorganiche nel polimero fuso Eccellente adesione, ma soltanto con fibre e additivi reattivi Il più versatile, con uso di soluzioni Fibre tessili: metodi di modifica Slide 17: “nanosol” coatingnanoparticelle (d < 50 nm) di silice o ossidi inorganici preparate via “sol-gel” a partire da soluzioni acquose o soluzioni acqua-solvente organico (ad es. alcool) Slide 18: Tecniche di caratterizzazione di superficie Analisi fisico-chimiche Angolo di contatto (CA) (macroscopico) Analisi morfologica (microscopie elettroniche o a sonda) Scanning Electron Microscopy (SEM) Atomic Force Microscopy (AFM) Analisi chimica (spettroscopie di superficie) Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) (qualitativa) XRay Photoelectron Spectroscopy (XPS) (quantitativa) Slide 19: Una misura quantitativa della bagnabilità di un solido da parte di un liquido. E’ geometricamente definita come l’angolo formato da un liquido all’intersezione delle tre fasi: liquido, gas e solido  relazione di Young all’equilibrio: Metodo Owens-Wendt: Scomposizione dell’’energia superficiale in: una componente polare (interazioni polari, forze coulombiane, dipoli permanenti e indotti) una componente dispersiva (associata alle interazioni deboli dovute alle fluttuazioni della distribuzione di carica all’interno delle molecole) Angolo di Contatto Slide 20: FT-IR E’ un metodo analitico, per lo più qualitativo, che si basa sulla proprietà dei legami chimici delle molecole di vibrare con determinate frequenze. Perché un modo vibrazionale in una molecola sia IR attivo e quindi possa dar luogo ad un assorbimento (picchi di uno spettro) della radiazione incidente, esso deve essere associato a cambiamenti nel momento di dipolo permanente. Studiando le vibrazioni fondamentali e la struttura roto-vibrazionale ad esse associata, è possibile identificare un composto e le eventuali variazioni di composizione. Slide 21: Esempio: poliacrilonitrile (PAN) F. Hochart et al. / Surface and Coatings Technology 165 (2003) 201–210 PAN tessuto, graffato con un perfluoroacrilato, via plasma a microonde, in Argon SEM ATR XPS

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