New insights in super-hydrophilicity of TiO2-SiO2 nanocomposite films

Abstract

Os efeitos resultantes da hidrofilicidade de compósitos TiO2-SiO2 com diferente reatividade e composição química em processos sol-gel têm sido descritos na literatura. Esses resultados mostram que formulações sol-gel menos reativas originam super-hidrofilicidade, isto é, um ângulo de contacto inferior a 10° após envelhecimento superior a 8 semanas (envelhecimento em condições ambiente). Tendo em conta a morfologia de derivados de filmes compósitos e diferentes modelos termodinâmicos de superficie, sugere-se que um filme compósito com uma textura mais porosa poderá levar a um efeito de super-hidrofilicidade superior. Para verificar esta hipótese, neste projeto optou-se por estudar em detalhe compósitos TiO2-SiO2 mais reativos com diferentes composições (0, 20, 60 e 100 mol% de SiO2), em que a uma maior reatividade sol-gel é esperada uma redução da super-hidrofilicidade dos filmes compósitos. Com o objetivo de criar artificialmente uma morfologia rugosa/porosa, utilizaram-se neste caso camadas de esferas de poliestireno (PS) com um diâmetro médio de 0.6 μm. Com o objetivo de definir as melhores condições para obter camadas compactas 2D de esferas de PS foram estudados diferentes parâmetros no método de revestimento spin-coating. Realizaram-se experiências com diferentes velocidades de rotação (1000rpm e 500rpm). Outros parâmetros de deposição por spin-coating ajustados foram a rotação a 5000rpm/s, tempo de rotação de 1s, concentração de esferas de PS a 1wt% em EtOH, e um volume de 100μL para a solução de PS. As camadas 2D de PS foram posteriormente impregnadas em sóis de TiO2-SiO2. A utilização de esferas de PS permitiu obter filmes compósitos de TiO2-SiO2 com rugosidade aproximadamente cem vezes superior aos filmes compósitos obtidos na ausência das esferas de PS. Estas características morfológicas foram confirmadas por microscopia ótica, microcopia eletrónica (SEM) e microscopia de força atómica (AFM). Por sua vez, medições do ângulo de contacto mostraram que a hidrofilicidade aumenta após as modificações morfológicas efetuadas e, nos melhores casos (amostras com 20-60 mol% de SiO2), os ângulos de contacto de água obtidos foram inferiores a 5o, após 6 semanas de envelhecimento (sob condições ambiente). Este estudo mostrou igualmente que nestes casos existe uma relação entre: 1) o revestimento da superfície das esferas de PS, 2) a rugosidade/porosidade da superfície dos filmes S1-X+PS, e 3) a persistência da super-hidrofilicidade.

Enhanced hydrophilicity effects arising from TiO2-SiO2 granular interfaces in composite films deposited via sol-gel routes have been studied before. Results obtained so far have shown that sol-gel formulations yielding less reactive sols lead to enhanced super-hydrophilicity persistence of composite films, i.e. a water contact angle less than 10o after aging for more than 8 weeks (aging under ambient conditions without UV radiation). Taking into account the morphology of derived composite films and different surface thermodynamics models, we have suggested that a more rough/porous structure of the composite film might even increase this enhanced hydrophilicity effect. To verify this hypothesis, we have chosen to study more reactive TiO2-SiO2 composite sols with different compositions (0, 20, 60 and 100mol% of SiO2). This greater sol-gel reactivity is expected to reduce the natural super-hydrophilicity of composite films in order to better assess eventual effects of the morphology. Then, in order to artificially create rough/porous morphologies, we have used polystyrene (PS) beads with average diameter of 0.6μm. Different parameters of spin-coating deposition method were tested to define the best conditions to obtain 2D layers of closely packed PS beads. Further, two experiments with different rotation speeds (1000rpm and 500rpm) were performed. Other spin-coating conditions were fixed as follows: acceleration of 5000rpm/s, rotation time of 1s, concentration of PS beads 1wt% in EtOH, volume of PS solution 100μL. Such 2D PS layers were then impregnated with TiO2-SiO2 composite sols. Using PS beads, we have obtained TiO2-SiO2 composite films with a roughness that is almost 100 times higher than composite films without PS beads. These morphology features are confirmed by optical microscopy, AFM and FEG-SEM measurements. Water contact angle measurements show in turn that the hydrophilicity effects are increased by morphologic modifications, and in the best cases (samples with 20-60mol% of SiO2) water contact angles are close to 5o after 6 weeks of aging under ambient conditions without UV radiation. This study also shows that, in these cases, there is some relation between: 1) the surface coverage of PS beads, 2) the surface roughness/porosity of S1-X+PS films, and 3) their super-hydrophilicity persistence.