CC BY
35
УДК 620.197.3
Бессонова К.А., Абрашов А. А., Григорян Н. С., Спиридонова А.А., Ваграмян Т.А. ГИДРОФОБИЗАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ АЛЮМИНИЯ СТЕАРИНОВОЙ КИСЛОТОЙ
Бессонова Кристина Алексеевна, студент 4 курса бакалавриата факультета инженерной химии
Абрашов Алексей Александрович, к.т.н., доцент кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии,
e-mail: abr-aleksey@yandex.ru;
Григорян Неля Сетраковна, к.х.н., профессор кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии; Спиридонова Анастасия Анатольевна, студент 1 курса магистратуры факультета инженерной химии; Ваграмян Тигран Ашотович, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой инновационных материалов и защиты от коррозии;
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, ул. Миусская площадь, д. 9
Исследована возможность гидрофобизации поверхности алюминиевого сплава АМг6 в растворе, содержащем стеариновую кислоту (СК) 0,01М, диметилсульфоксид (ДМСО) и воду в соотношении 7:1.
Установлено, что покрытие, сформированное в данном растворе, характеризуется углом смачивания водой вс=151°. Защитная способностью (ЗС) покрытий, определенная экспресс-методом капли, как время до появления продуктов коррозии под каплей реактива Акимова, составляет 125 с.
Проведены коррозионные испытания по стандарту ASTM B117 в камере соляного тумана образцов алюминиевого сплава АМг6 с гидрофобизированной в разработанном растворе поверхностью. Испытания показали, что разработанное покрытие выдерживает 140 ч в условиях соляного тумана (5% NaCl) до появления первых очагов коррозии основы, в то время как необработанный алюминиевый сплав начинает корродировать через 24 ч.
Ключевые слова: защита от коррозии, подготовка поверхности, алюминий, гидрофобизация, стеариновая кислота, краевой угол смачивания.
PROTECTING ALUMINUM VIA SURFACE HYDROPHOBIZATION WITH STEARIC ACID
Bessonova K.A., Abrashov A.A., Grigoryan N.S., Spiridonova A.A., Vagramyan T.A. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
A solution for hydrophobization of aluminum alloy 5556 in a solution containing dimethyl sulfoxide and water in a ration of 7:1 and also stearic acid in the amount of 0.01 mol/L was developed.
It was determined that the newly-formed coating in this solution is characterized by a contact angle of вс=151°. The protective ability of coatings determined by the drop method as the time until the appearance of corrosion product under the drop ofAkimov solution amounts to 125 s.
Corrosion tests of AA 5556 speciments with hydrophobized surface were conducted (ASTM B117) in a salt fog chamber in the developed solution. The tests have shown that the developed coating withstands 140 h in salt fog conditions (5% NaCl) until the appearance of corrosion hotbeds on the base, while the unprocessed specimen of aluminium alloy started corroding after 24 h.
Keywords: corrosion protection, surface treatment, aluminum, hydrofibration, stearic acid, wetting angle.
Алюминиевые сплавы широко используются в качестве конструкционного материала в различных областях техники и быта: в промышленном и гражданском строительстве для изготовления каркасов зданий, ферм, оконных рам, лестниц, в автомобилестроении, в судостроении, авиационной и космической технике, в электротехнике, в ядерном реакторостроении и др. По масштабам применения алюминий и его сплавы занимают второе место после стали и чугуна.
Благодаря наличию тонкой естественной оксидной пленки поверхность алюминия и его сплавов достаточно устойчива к коррозии, поэтому в ряде случаев их применяют без специальной антикоррозионной защиты. Однако из-за малой толщины естественная пленка на поверхности алюминия зачастую не обеспечивает его надежную защиту от коррозии, например, во влажной
промышленной атмосфере или в морской воде.
Одним из востребованных в последнее время способов защиты металлических поверхностей от агрессивной окружающей среды является формирование на поверхности металлов сплошных супергидрофобных самоочищающихся пленок [1-3].
Супергидрофобными в литературе называют поверхности, на которых краевой угол смачивания превышает 150°, а водяная капля скатывается при наклоне поверхности не более, чем на 10° [3,4]
Явление супергидрофобности (СГФ), которое известно как "эффект лотоса", широко распространено в живой природе на растительных поверхностях и телах насекомых.
Вода, попадающая на поверхность листьев, собирается в шарикообразные капли. При стекании с листа эти капли захватывают с собой частицы пыли, тем самым очищая поверхность растения.
Настоящая работа посвящена исследованию возможности получения защитных
супергидрофобных покрытий на сплаве алюминия АМг6.
С учетом литературных сведений, результатов предварительных экспериментов и экологических требований в качестве базового раствора была выбрана композиция, содержащая диметилсульфоксид (ДМСО), стеариновую кислоту и воду.
Как правило, получение СГФ-поверхностей включает две стадии: первая стадия состоит в придании поверхности шероховатой структуры, а затем производится модифицирование этой поверхности с использованием соединений с низкой поверхностной энергией, содержащих длинные алкильные цепи.
Подготовку образцов к гидрофобизации производили следующим образом. Образцы алюминиевого сплава обезжиривались, затем подвергались травлению в щелочном растворе и
осветлению в растворе азотной кислоты. После этого алюминиевые образцы промывали и погружали в гидрофобизирующую композицию.
Установлено, что покрытие обладает максимальным краевым углом смачивания (6с=140-141°) и максимальной защитной способностью (ЗС=110-125 с) при отношении ДМСО/вода 6^7:1.
Определено, что диапазон концентрации стеариновой кислоты 2-3 г/л является оптимальным, так как при данных условиях формируются покрытия с максимальным краевым углом смачивания и защитной способностью. Следует обратить внимание, что защитная способность естественной оксидной пленки на А1 составляет 4 с.
Таким образом, гидрофобизация
алюминиевого сплава позволяет увеличить краевой угол смачивания алюминиевой поверхности с 49 до 141°, а ЗС с 4 до 125 с.
Можно предположить, что при образовании СГФ покрытий протекают следующие реакции:
СцНИСООН + 1)2« ^^ н30%
н++н2о
о* V
р
СгНнС
О"
о
■Г
с1Тн„-с о
СрН^СООН + И,С—8—СИ,
о
/
А1 + С,тН*С^
Гр'
С17Н„-С о
НзС-—СН? ^ Н(С—Я1—СНз
О О"
СпНагС
р
+ Н* + Ог
СНз
А
о о А1
= С,7нис
р
.7
НаО
Известно, что А1 может окисляться на воздухе и во влажных условиях, в результате чего образуется тонкая естественная оксидная пленка на его поверхности. Для того, чтобы растворить оксидную пленку необходимо создать кислую среду. Стеариновая кислота не растворяется в воде, но хорошо растворяется в диметилсульфоксиде, что в присутствии воды может обеспечить достаточную кислотность для растворения оксида алюминия стеариновой кислотой с образованием прочного соединения.
Исследовано влияние продолжительности обработки и температуры рабочего раствора на защитные характеристики покрытий и установлено, что покрытия с наибольшим краевым углом смачивания 0с=141° и наибольшей защитной способностью (125 с) формируются за 10-15 мин процесса при температуре раствора 30-40°С.
С помощью спектроскопического эллипсометра установлено, что толщина покрытия осажденного из разработанного раствора составляет 270-300 нм.
Исследовано влияние предварительных стадий подготовки поверхности сплава АМг6 на ее шероховатость.
Исходная поверхность сплава является относительно гладкой. После стадии травления поверхность сплава становится шероховатой с многочисленными микромасштабными полостями по всей площади образца. Стадия травления является основной стадией, в ходе которой формируется шероховатость поверхности.
Установлено, что стадия осветления снижает шероховатость поверхности, что в дальнейшем негативно отражается на защитных характеристиках гидрофобных покрытий.
Было решено, что для последующих исследований необходимо исключить данную стадию.
Т.о., за счет исключения стадии осветления удалось добиться максимальной шероховатости. В результате краевой угол смачивания такой поверхности повысился до 151°.
Параметром гидрофобного покрытия, определяющим его способность к самоочищению, является угол соскальзывания капли воды с его поверхности. При высоком значении угла скатывания капли будет затруднена самоочистка поверхности и снизится коррозионная стойкость покрытия. Установлено, что угол скатывания для формирующегося из разработанного раствора супергидрофобного покрытия составил 7°. Для сравнения угол скатывания для
негидрофобизированной поверхности сплава превышает 100°.
Коррозионные испытания в камере соляного тумана образцов алюминиевого сплава АМг6 с гидрофобным покрытием показали, что супергидрофобное покрытие выдерживает 140 ч в условиях соляного тумана (5% NaCl) до появления первых очагов коррозии основы, в то время как необработанный сплав начинает корродировать через 24 ч.
Было исследовано изменение краевого угла смачивания поверхности гидрофобизированных образцов в зависимости от продолжительности их пребывания в камере соляного тумана.
Установлено, что после экспозиции образцов с покрытием в камере соляного тумана в течение 80 ч поверхность еще сохраняет гидрофобные свойства, а после 110 ч происходит уменьшение краевого угла смачивания с 151° до 88°, что указывает на деградацию защитного покрытия.
Наряду с этим результаты коррозионных испытаний свидетельствуют о том, что, если покрытие теряет гидрофобные свойства (рис. 1), оно продолжает обеспечивать высокую защиту сплава от коррозии: появление первого очага коррозии основы на образце наблюдалось лишь через 140 ч испытаний.
Продолжительность, ч
Рис. 1 Зависимость угла смачивания от продолжительности экспозиции образцов в камере соляного тумана
Таким образом, в результате проделанной работы предложен технологический процесс
гидрофобизации поверхности алюминиевых сплавов, позволяющий повысить коррозионную стойкость поверхности и придать ей способность к самоочищению.
«Работа выполнена при финансовой поддержке РХТУ им. Д.И. Менделеева. Номер проекта 0162018»
Список литературы
1. Кузнецов Ю.И., Семилетов А.М., Чиркунов А.А., Архипушкин И.А., Казанский Л.П., Андреева Н.П. Гидрофобизация поверхности алюминия стеариновой кислотой и триалкоксисиланами для защиты от атмосферной коррозии. // ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ. - 2018, - Т 92. - № 4. - С. 512-521.
2. Dongmian Zang, Ruiwen Zhu, Wen Zhang, Jie Wu, Xinquan Yu, Youfa Zhang Stearic acid modified aluminum surfaces with controlled wetting properties and corrosion resistance // Corrosion Science. - Vol. 83. - P. 86-93.
3. Семилетов A.M., Кузнецов Ю.И., Чиркунов A.A. О гидрофобизации поверхности сплава АМг6 и защите его от атмосферной коррозии смесями высших карбоксилатов с триалкоксисиланами / / Коррозия: материалы, защита. 2017. № 6. С. 24-30.
4. Семилетов A.M., Кузнецов Ю.И., Чиркунов A.A. Защита сплава Д16 от атмосферной коррозии тонкими слоями, образованными в водных растворах солей органических кислот и триалкоксисиланов // Коррозия: материалы, защита. 2017. № 10. С. 16-22.
