CC BY
8
УДК 621.794.61:621.357.8(035)
Хафизова А.И., Кабанова Т.А., Парфенова В.Д., Абрашов А.А., Григорян Н.С.
Модификация анодированного алюминия путем придания его поверхности супергидрофобных свойств
Хафизова Алсу Ильдаровна, студент 4 курса бакалавриата кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии, e-mail: khaf1zovaalsu@yandex.ru;
Кабанова Татьяна Александровна, студент 2 курса магистратуры кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии, e-mail: kabanovakat@mail.ru;
Парфенова Виктория Денисовна, студент 1 курса магистратуры кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии, e-mail: parfenova-vikvikinbox.ru@yandex.ru;
Абрашов Алексей Александрович, к.т.н., доцент кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии, e-mail: abrashov. a. a@muctr. ru;
Григорян Неля Сетраковна, к.х.н., профессор кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии, email: grigorian.n.s@muctr.ru.
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, ул. Миусская площадь, д. 9
Разработан технологический процесс гидрофобизации поверхности алюминиевого сплава АМг6. Установлено, что при анодировании в электролите на основе серной и фосфорной кислот происходит формирование анодных оксидных пленок с развитым микроструктурированным рельефом, что определяет хорошие адгезионные свойства к последующим покрытиям.
Ключевые слова: защита от коррозии; супергидрофобные покрытия, органические покрытия; обработка поверхности; стеариновая кислота; анодирование алюминия, гидрофобизация.
Modification of anodized aluminum by giving its surface superhydrophobic properties
Hafizova A.I., Kabanova T.A., Parfenova V.D., Abrashov A.A., Grigoryan N.S. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The technological process of hydrophobization of the surface of aluminum alloy AMg6 has been developed. It has been established that anodizing in an electrolyte based on sulfuric and phosphoric acids results in the formation of anodic oxide films with a developed microstructured relief, which determines good adhesive properties to subsequent coatings.
Keywords: corrosion protection; superhydrophobic coatings, organic coatings; surface treatment; stearic acid; aluminum anodizing, hydrophobization.
Материалы угол смачивания водой которых превышает 150° при угле скатывания капли менее 10° и наличии выраженной тенденции к самоочищению поверхности, относятся к категории
супергидрофобных. Супергидрофобность лежит в основе самоочистки поверхности некоторых растений и насекомых и часто необходима при формировании антикоррозионных,
противообрастающих, антиобледенительных
покрытий, а также для производства текстильных материалов, устойчивых к загрязнениям [1-4].
Некоторые материалы, включая алюминий и его сплавы подвержены окислению на воздухе с образованием оксидной пленки, защитная способность которой в ряде случаев недостаточна. Поэтому формирование на поверхности алюминия и его сплавов сплошных супергидрофобных самоочищающихся пленок может являться востребованной альтернативой пассивации растворами соединений &(У1), обладающих значительной токсичностью. Однако
супергидрофобизация требует предварительного формирования поверхности, обладающей мультимодальной шероховатостью, для
осуществления перехода из состояния Венцеля в состояние Касси, с последующей модификацией
агентами, уменьшающими поверхностную энергию. Для придания мультимодальной шероховатости поверхности металла используют различные методы, в том числе и электрохимическое анодирование. В качестве агентов, обладающих низкой поверхностной энергией, используют протяженные алкильные и перфторалкильные цепи функционализированные группой, придающей возможность фиксации на поверхности. В качестве таких соединений используют фторалкилсиланы,
октадецилтриметоксисилан, тетрадекановую кислоту, стеариновую кислоту и сополимеры стирола [5].
Настоящая работа посвящена поиску новых методик анодного текстурирования поверхности изделий из А1 и его сплавов с последующей гидрофобизацией в растворах на основе стеариновой кислоты.
При выборе электролита и параметров анодирования необходимо учитывать зависимость толщины пленки от анодной плотности тока и продолжительности анодирования. Характер изменения толщины оксидной пленки в процессе анодирования связан с уменьшением скорости роста пленки оксида (1) вследствие увеличения скоростей ее растворения (2) и выделения кислорода (3):
2Al + 3H2O ^ AЪOз + 6И+ + 6^ (1)
АЪОз + 3Ш8О4 ^ Л12(804}З + ЗН2О (2)
2Н2О ^ 4Н+ + О2 + 4е- (3)
Качественные гальванические покрытия получают при осаждении их на анодную пленку, сформированную в растворе ортофосфорной кислоты концентрацией 350-670 г/л при температуре 18-30°С и плотности тока 1-2 А/дм2, в течение 5-15 минут [6]. Существенным недостатком процесса анодирования в ортофосфорной кислоте является его большая чувствительность к малейшим изменениям в составе обрабатываемых сплавов, что ограничивает области его применения. Более универсальным является электролит, содержащий смесь ШБО4 и Н3РО4. Такой электролит позволяет проводить анодирование практически всех алюминиевых сплавов.
Нами для получения анодных оксидных пленок на алюминиевых сплавах марки АМг6 был использован электролит, содержащий смесь 150 г/л Н3РО4 и 150 г/л ШБОф
Гидрофобизацию поверхности анодированного сплава АМг6 проводили при t = 30-40 °С и т - 8-10 мин в растворе, содержащем диметилсульфоксид 875 мл/л, а также стеариновую кислоту в количестве 2 г/л.
Установлено, что при анодировании в исследуемом электролите происходит формирование анодных оксидных пленок с развитым микроструктурированным рельефом, что определяло хорошие адгезионные свойства к последующим покрытиям. При этом краевой угол смачивания после процесса гидрофобизации составил 147°.
Показано, что увеличение концентрации стеариновой кислоты в финишном растворе до 4 г/л приводит к значительному увеличению краевого угла смачивания поверхности до 170°.
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 4°. Для сравнения угол скатывания для
негидрофобизированной поверхности
анодированного сплава превышает 90°.
Коррозионные испытания в камере соляного тумана образцов анодированного алюминиевого сплава АМг6 с супергидрофобным покрытием показали, что супергидрофобное покрытие выдерживает 740 ч в условиях соляного тумана (5% КаС1) до появления первых очагов коррозии основы, в то время как необработанный анодированный сплав начинает корродировать через 200 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 350 ч поверхность еще сохраняет гидрофобные свойства, а после 520 ч происходит уменьшение краевого угла смачивания со 170° до 85°, что указывает на деградацию защитного покрытия.
Наряду с этим результаты коррозионных испытаний свидетельствуют о том, что, если покрытие теряет гидрофобные свойства, оно продолжает обеспечивать высокую защиту сплава от коррозии: появление первого очага коррозии основы на образце наблюдалось лишь через 740 ч испытаний.
Таким образом, разработан технологический процесс гидрофобизации поверхности алюминиевого сплава АМг6 в растворе, содержащем диметилсульфоксид 875 мл/л, а также стеариновую кислоту в количестве 4 г/л., позволяющий формировать при t= 30-40 °C и т - 8-10 мин на поверхности анодированного сплава
супергидрофобные покрытия.
Коррозионные испытания в камере соляного тумана (ASTM B117) показали, что до появления первых очагов коррозии основы образцы с СГФ покрытием выдерживает 740 ч, в то время как необработанный анодированный сплав начинает корродировать через 200 ч.
Список литературы
1. Erbil, H.Y. Practical applications of superhydrophobic materials and coatings: problems and perspectives // Langmuir - 2020 - Vol. 36 - P. 2493-2509.
2. Бойнович Л.Б., Емельяненко А.М. Гидрофобные материалы и покрытия: принципы создания, свойства и применение // Успехи химии -2008 - Т. 77 - № 7 - С.619-638.
3. Abrashov, A., Grigoryan, N., Korshak, Y., Vagramyan, T., Grafov, O., Mezhuev, Y. Regularities of the Formation of a Green Superhydrophobic Protective Coating on an Aluminum Alloy after Surface Modification with Stearic Acid Solutions // Metals - 2021 - Vol. 11 - P. 1718.
4. Абрашов А.А., Григорян Н.С., Толмачев Я.В., Серов А.Н. Экологически безопасный раствор гидрофобизации сплава АМг6 на основе стеариновой кислоты и диметилсульфоксида // Цветные металлы -2021 - № 10 - С. 37-42.
5. Zhao, L., Liu, Q., Gao, R., Wang, J, Yang, W, Liu, L. One-step method for the fabrication of superhydrophobic surface on magnesium alloy and its corrosion protection, antifouling performance // Corrosion Science - 2014 - Vol. 80 - P. 177-183.
6. Девяткина Т.И., Спасская М.М., Москвичев А.Н., Рогожин В.В., Михаленко М.Г. Анодное оксидирование алюминия и его сплавов для получения качественных гальванических покрытий // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского - 2013 - №4(1) - С. 109-114.
