CC BY
28
УДК 620.197.3
Семилетов А.М., Чиркунов А.А., Кузнецов Ю.И.
ГИДРОФОБИЗАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ АТМОСФЕРНОЙ КОРРОЗИИ
Семилетов Алексей Михайлович, к.х.н., научный сотрудник, e-mail: semal1990@mail.ru
Чиркунов Александр Александрович, к.х.н., ведущий научный сотрудник
Кузнецов Юрий Игоревич, д.х.н., профессор, руководитель научного направления ИФХЭ РАН
Институт физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина РАН, 119071, г. Москва, Ленинский пр., 31, к.4,
В работе показана возможность гидрофобизации и супергидрофобизации (СГФ) алюминиевых сплавов АД31 и АМг6 этанольными растворами высших карбоновых кислот и винилтриметоксисилана. Изучена стабильность получаемых СГФ покрытий. Защитная способность СГФ покрытий оценивалась коррозионными испытаниями в камере солевого тумана.
Ключевые слова: коррозия, алюминий, ингибиторы коррозии, гидрофобизация, триалкоксисиланы, карбоксилаты, стеариновая кислота.
HYDROPHOBI CATION OF THE SURFACE OF ALUMINUM AND ITS ALLOYS FOR PROTECTION FROM ATMOSPHERIC CORROSION
Semiletov AM, Chirkunov AA, Kuznetsov Yu.I.
Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry, Russian Academy of Sciences
At the work the possibility of hydrophobization and superhydrophobization (SH) of aluminum alloys AD31 and AMg6 in ethanol solutions of higher carboxylic acids and vinyltrimethoxysilane was shown. The stability of the SH coatings has been studied. The protective ability of the SH coatings was evaluated by corrosion tests in a salt chamber. Key words: corrosion, aluminum, corrosion inhibitors, hydrophobization, trialkoxysilanes, carboxylates, stearic acid.
Алюминий и его сплавы широко применяются как конструкционные материалы в различных отраслях промышленности. Благодаря быстрому образованию пассивной оксидной пленки, большинство сплавов А1 приобретают высокую коррозионную устойчивость в атмосферных условиях. Однако для них характерны часто более опасные виды разрушения: питтинговая и межкристаллитная коррозия. Разрушение защитной пленки, образованной на А1, обусловлено увлажнением поверхности и концентрацией агрессивных примесей, например ионов С1-.
Для защиты от коррозии сплавов А1 используют конверсионные и лакокрасочные покрытия. Ранее для повышения защитных свойств покрытий на А1 сплавах в качестве ингибиторов использовали соединения Сг(У1), их высокая эффективность обусловлена не только способностью восстанавливаться с образованием труднорастворимых соединений Сг, но и залечивать дефекты покрытия. В виду токсичности соединений Сг (VI) происходит отказ от их применения и замена органическими ингибиторами коррозии (ИК) [1-4].
Коррозионную устойчивость различных металлов можно повысить гидрофобными (ГФ) и супергидрофобными (СГФ) покрытиями [5-7]. Явление супергидрофобности, известное как «эффект лотоса», широко распространено в живой природе на растительных поверхностях. Этот эффект заключается в том, что при контакте с СГФ поверхностью капля воды принимает шарообразную форму, и при небольшом наклоне поверхности капля воды скатывается, захватывая при движении загрязнения.
Как правило, получение СГФ поверхностей включает две стадии: формирование поверхности с
микроструктурной шероховатостью, а затем модифицирование этой поверхности с использованием гидрофобизирующих агентов, содержащих длинные алкильные и часто перфторированные цепи. Получение СГФ покрытий важно для практического применения, поскольку позволяет создавать защитные покрытия с антикоррозионными и
антиобледенительными свойствами. К основным факторам, ограничивающим широкое применение ГФ и СГФ материалов, следует отнести недостаточную износостойкость и химическую стойкость получаемых слоев. Важную роль при длительной эксплуатации ГФ и СГФ покрытий играет тщательная очистка поверхности от загрязнений, попадающих из атмосферы.
В настоящей работе предложен простой и доступный способ получения СГФ покрытий на поверхности А1 сплавов АД31 и АМг6 с использованием высших алкилкарбоксилатов и винилтриметоксисилана (ВС).
Для получения покрытий с высокими ГФ свойствами, с 0С >120 важно иметь определённую морфологию поверхности, т.е. необходимо создать поверхность с мультимодальной шероховатостью. Доступный способ придания поверхности сплава АД31 необходимой шероховатости - кратковременное (10 с) травление в растворе №ОИ [8]. Исходная поверхность А1 сплава АД31 гидрофильна и характеризуется низким значением краевого угла 0с < 200.
Травление образца АД31 с последующей модификацией поверхности в течение тобр = 1 ч в этанольном растворе ЛК с С =10 ммоль/л позволяет получить ©С = 1330, обработка в растворе ТДК
оказывается эффективнее, а 0С = 139 . Наибольшее значение 0С = 1410 наблюдается после модификации поверхности А1 раствором СК, и объясняется наличием более длинного алкила в молекуле, и предполагает её высокую гидрофобность. Согласно [9] ГФ свойства исследуемого соединения можно оценить, используя логарифм коэффициента распределения в системе отанол-вода двух несмешивающихся жидкостей 1§ P, для СК 1§ P=8,2.
Весьма эффективным способом защиты от атмосферной коррозии может оказаться послойная обработка металлов в водных растворах ИК [10]. Такой метод может быть эффективен не только при получении защитных пленок, обладающих высокой коррозионной устойчивостью, но и для придания им СГФ свойств. Действительно, послойная обработка поверхности сплава АД31 в этанольных растворах ВС (СВС = 10 ммоль/л, 10 мин), а затем в растворе СК (С= 10 ммоль/л, 1 ч) позволят получить СГФ покрытие с 0С = 1600.
Табл. 1. Изменение краевого угла 0с на сплаве АД31,
Обработка, С [ммоль/л] ©с, град
10 ЛК 133
Послойно 10 ВС и 10 ЛК 142
10 ТДК 139
Послойно 10 ВС и 10 ТДК 148
10 СК 141
Послойно 10 ВС и 10 СК 160
Послойная модификация поверхности другого А1 сплава АМг6 также позволяет получить СГФ покрытие, а 0С = 1530. Большое значение для применения СГФ слоев с целью защиты металлов и сплавов от коррозии имеет их стабильность. Результаты измерения 0С получаемого покрытия во времени при их испытании в КСТ или 3% КаС1 свидетельствуют о невысокой стабильности СГФ свойств покрытия (Рис. 1).
©с, град
36 т, ч 42
Рис. 1. Изменение краевого угла 0с на сплаве АМг6, послойно обработанного в этанольных растворах, содержащих 10 ммоль/л ВС и 10 ммоль/л СК, от времени выдержки образцов в КСТ (1) и 3% растворе №С1 (2).
Однако результаты коррозионных испытаний в КСТ показывают, что даже, если получаемое покрытие теряет СГФ и уменьшает ГФ свойства, оно продолжает обеспечивать защиту сплава от
коррозии. Несмотря на то, что через 49 ч испытаний в КСТ образцов АМг6 послойно модифицированных растворами ВС и СК, 0С уменьшается в 2 раза (0С =730) от начального, появление первого коррозионного поражения на образце происходит лишь через ткор = 105 ч (Рис. 2).
Без 10 СК 20 СК 10 ВС Послойно
обработки 10 ВС и 10
СК
Рис. 2. Время до появления первого коррозионного поражения (ткор) на образцах из сплава АМг6, помещенных в камеру солевого тумана без и подвергнутых предварительно СГФ в этанольных растворах ИК [С (ммоль/л)]. Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (Проект № 17-13-01413 «Фундаментальные аспекты формирования сверхтонких
пассивирующих пленок органических соединений на металлах при защите от атмосферной коррозии»).
Список литературы
1. Kuznetsov Yu. I. Organic Inhibitors of Corrosion of Metals. - 1996.New York and London: Plenum Press. 283 p.
2. Boisier G., Portail N., Pebere N. Corrosion inhibition of 2024 aluminium alloy by sodium decanoate // Electrochimica Acta. -2010, Vol. 55, Is. 21, - P. 6182-6189.
3. Lamaka S.V., Zheludkevich M.L., Yasakau K.A., et al. High effective organic corrosion inhibitors for 2024 aluminium alloy // Electrochimica Acta, - 2007, V. 52, Is. 25, - P. 7231-7247.
4. Balbo A., Frignani A., Grassi V., Zucchi F. Corrosion inhibition by anionic surfactants of AA2198 Li-containing aluminium alloy in chloride solutions // Corros. Sci. - 2013, V. 73, - P. 80-88.
5. Boinovich L.B., Emelyanenko A.M. Hydrophobic materials and coatings: principles of design, properties and applications // Russ. Chem. Rev. - 2008, 77 (7), - P. 583600.
6. Zhang Y-L, Xia H, Kim E, Sun H-B. Recent developments in superhydrophobic surfaces with unique structural and functional properties // Soft Matter, - 2012,8, -P. 11217-11231.
7. Lv F.Y., Zhang P. Fabrication and characterization of superhydrophobic surfaces on aluminum alloy substrates // Applied Surface Science, - 2014, 321, - P. 166-172.
8. Кузнецов Ю.И.., Семилетов А.М.., Чиркунов А.А. и др. Гидрофобизация поверхности алюминия стеариновой кислотой и триалкоксисиланами для его защиты от атмосферной коррозии //«Журнал физической химии», - 2018, т. 92., № 4, - С. 512 - 521.
9. Hansch C., Leo A. Correlation Analysis in Chemistry and Biology. 1981. New York: J.Wiley.
10. Кузнецов Ю.И Органические ингибиторы коррозии. Где мы сейчас? Ч. I. Адсорбция. Обзор // Коррозия: материалы и защита. - 2016, № 3, - C. 25-40.
