CC BY
7
УДК 544.720
Тюлягин П.Е., Орлова Ю.Н., Мурашова Н.М.
ПОЛИРОВАНИЕ АЛЮМИНИЯ С ПОМОЩЬЮ ОБРАТНЫХ МИКРОЭМУЛЬСИЙ ДОДЕЦИЛСУЛЬФАТА НАТРИЯ, СОДЕРЖАЩИХ ОРТОФОСФОРНУЮ КИСЛОТУ Тюлягин Петр Егорович - аспирант 3-го года обучения кафедры наноматериалов и нанотехнологии; tylagin@vivaldi.net.
Орлова Юлия Николаевна - магистр 1-го года обучения кафедры наноматериалов и нанотехнологии; Мурашова Наталья Михайловна - кандидат химических наук, доцент кафедры наноматериалов и нанотехнологии;
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В статье рассматривается применение микроэмульсий додецилсульфата натрия для химического полирования алюминия. Изучены составы обратных микроэмульсий в системе додецилсульфат натрия (ДСН) - бутанол-1 - керосин - водный раствор H3PO4. Показана возможность применения данных составов микроэмульсий для химического полирования алюминия. Предложен состав микроэмульсии для дальнейшей разработки метода полирования алюминия.
Ключевые слова: обратная микроэмульсия, алюминий, додецилсульфат натрия, химическое полирование, микроэмульсионное полирование, наноструктурированная среда, полирование алюминия, рельеф поверхности
POLISHING OF ALUMINUM USING REVERSE MICROEMULSIONS OF SODIUM DODECYL SULPHATE CONTAINING ORTOPHOSPHORIC ACID
Tyulyagin P.E., Orlova Yu.N., Murashova N.M.
Mendeleev University of Chemical Technology, Moscow, Russia
The article discusses the use of sodium dodecyl sulfate microemulsions for chemical polishing of aluminum. The compositions of reverse microemulsions in the sodium dodecyl sulfate (DSN) - butanol-1 - kerosene - aqueous solution H3PO4 have been studied. The possibility of using these compositions of microemulsions for chemical polishing of aluminum is shown. The composition of the microemulsion is proposed for further development of the aluminum polishing method.
Keywords: reverse microemulsion, aluminum, sodium dodecyl sulfate, chemical polishing, microemulsion polishing, nanostructured medium, aluminum polishing, surface relief
Введение
Микроэмульсионное травление металлов - это метод изменения шероховатости поверхности с помощью микроэмульсии, содержащей реагенты, растворяющие металл. Оно является разновидностью химического травления. Частным случаем такого травления является химическое полирование, которое относится к методам финишной обработки поверхности металлов, например, при прободготовке металлических изделий для анализа их структуры на оптическом микроскопе или других приборах. Микроэмульсионное полирование обладает рядом положительных характеристик: обработка деталей не требует сложного оборудования, имеется возможность обработки сложнопрофильных деталей с достижением качественного полирования на всей поверхности, возможность тонко регулировать качество получаемой поверхности, небольшая продолжительность процесса. Этот метод может служить как дополнением к механической полировке, так и основным методом обработки поверхностей сложной формы, которые невозможно отполировать механически.
Часто в качестве реагента для химического полирования применяют смеси концентрированных кислот с небольшим количеством воды. При этом результат полирования улучшается при наличии
вязкого диффузионного слоя рядом с поверхностью металла, который способствует растворению выступов на поверхности и затрудняет доступ реагента к углублениям [1]. Снизить суммарную концентрацию реагента в полирующей жидкости, а также добиться лучшего эффекта полирования за счет диффузионных ограничений можно благодаря использованию обратной микроэмульсии.
Микроэмульсии - это термодинамически устойчивые изотропные дисперсии неполярной органической и водной фаз, стабилизированные поверхностно-активным веществом (веществами). Для полирования рекомендуется использовать обратные микроэмульсии, в которых реагент для полирования (кислота) будет локализован внутри капель водной фазы. Диаметр капель обратной микроэмульсии составляет от нескольких нанометров до десятков нанометров [2, 3].
Для полирования поверхности металлов была предложена микроэмульсия в системе додецилсульфат натрия (ДСН) - бутанол-1 - керосин - водный раствор кислоты. Было показано, что такая микроэмульсия, содержащая фосфорную кислоту, за 15 минут полирования алюминиевой фольги позволяет получить относительное сглаживание поверхности относительно начальной средней шероховатости АЯа = 16,3%, а относительное
сглаживание поверхности относительно средней высоты неровностей профиля по десяти точкам ARz = 20,6% [3].
В патентах по химическому полированию алюминия встречается растворы, способные сгладить поверхность до значений средней шероховатости, соответствующих Ra = 0,100 мкм и менее [4]. Также в патентах представлены растворы, способные повысить коэффициент зеркального отражения поверхности алюминия до 69 из 100 [5]. Данные составы используются для обработки алюминия при производстве деталей с зеркальной отделкой - рефлекторов, медицинского оборудования, изделий легкой промышленности, декоративной отделки автомобилей.
Целью данной работы было повышение эффективности химического полирования алюминия с помощью обратных микроэмульсий в системе додецилсульфат натрия (ДСН) - бутанол-1 - керосин
- водный раствор смеси кислот Н3Р04 до относительного сглаживания поверхности относительной начальной средней шероховатости ДЛа = 30% и более.
Экспериментальная часть
Для химического полирования были выбраны микроэмульсии (МЭ1, МЭ2, МЭ3, МЭ4 и МЭ5), для которых массовая доля керосина в смеси керосина и водной фазы составляла 0,6, молярное соотношение бутанола-1 и ДСН 5" составляло 5, а концентрация ортофосфорной кислоты в водной фазе микроэмульсии составляла 0,5, 0,7, 0,9, 1,1 и 1,3М соответственно.
Исследуемый лист алюминиевой фольги с шероховатостью, которая соответствует Ra = 0,259 мкм и ДRz = 0,756 мкм, был разрезан на пластинки размером 0,5х0,5см.
Химическое полирование проводили в открытом сосуде при температуре 60°С в течение 10 минут. После полирования поверхность металла очищали от адсорбировавшихся поверхностно-активных веществ тщательным промыванием пластинки в смеси этанол
- бутанол-1 (1 мин), а затем в растворе НЫОз с концентрацией 8 моль/л (5 сек), после промывали дистиллированной водой. Результаты травления сравнивали с контрольным образцом - пластинкой, последовательно промытой в смеси этанол -бутанол-1 (1 мин), в растворе НЫОз с концентрацией 8 моль/л (5 сек) и в дистиллированной воде.
Поверхность металла после полирования микроэмульсии анализировали на
микроинтерферометре модели МИИ-4. Исследуемый образец облучался красным монохроматическим светом с длиной волны порядка 635 нм. Фотографическим методом получали десять профилограмм поверхности образца с базовыми длинами измерения 0,175 мм. Для каждой
профилограммы была определена средняя арифметическая шероховатость по стандарту ISO 4287-1:1984, по которой рассчитывали средневзвешенное значение шероховатости по всей длине измерения.
Обсуждение результатов
Результаты измерения шероховатости поверхности образцов представлены в таблице 1. Были определены параметры ДЯа и AR/: gLiДщ
ДДа =
Д Rz =
—R.
гК1'НТр
аконтр Еконтр
Как видно из табл. 1, средняя шероховатость после обработки металла микроэмульсиями всех типов уменьшилась более чем на 10%, что однозначно можно трактовать, как процесс полирования, а не растравления. Самый большой показатель уменьшения средней шероховатости наблюдается для микроэмульсии МЭ4. Такой параметр, как десять наивысших точек неровностей шероховатости уменьшался только при обработке микроэмульсиями МЭ2, МЭ3 и МЭ4. Самый большой показатель уменьшения данного параметра наблюдается для микроэмульсии МЭ3.
Таблица 1. Оценка эффективности травления
Параметры шероховатости МЭ1 МЭ2 МЭ3 МЭ4 МЭ5
ARa, % -15 -21 -26 -35 -11
ARz, % +11 -17 -18 -14 +2
Уменьшение средней шероховатость
поверхности алюминия одновременно с уменьшением высоты десяти наивысших точек неровностей может говорить о том, что уменьшению подвергаются не только крупные впадины, но и мелкие неровности поверхности металла (рис.1). Уменьшение же средней шероховатости с увеличением или не значительным изменением высоты неровностей десяти наивысших точек может говорить о том, что полированию подвергались преимущественно мелкие неровности поверхностей, в то время как боле крупные неровности оставались не тронутыми или растравливались ещё сильнее, тем самым увеличивая параметр И^.
Так же, стоит отметить, что во время полирования наблюдалось медленное выделение газа на поверхности металла, которая была погружена в микроэмульсию. После полирования видимых глазу изменений на поверхности металла не наблюдалось. Предположительно, во время химического полирования происходила следующая химическая реакция:
2Al + 2HPO = 2A1PO + 3H
3 4 4 2
Рисунок 1. Гистограммы распределения высот неровностей поверхности алюминия: 1 - после травления микроэмульсией МЭ1; 2 - после травления микроэмульсией МЭ2; 3 - после травления микроэмульсией МЭ3; 4 - после травления микроэмульсией МЭ4; 5 - после травления микроэмульсией МЭ5; 6 - до травления
(контроль).
Заключение
Показано, что обработка микроэмульсиями МЭ1 и МЭ5 показали худшие результаты химического полирования, характеризуемые тем, что АЛ соответсвует менее 20%, АRz увеличивался в процессе полирования. Была продемонстрирована возможность увеличение эффективности химической полировки поверхности алюминия с помощью микроэмульсии, содержащей ортофосфорную кислоту в концентрации 1,1 М в водной фазе (МЭ4), достигнув относительного сглаживания поверхности относительно начальной средней шероховатости АЛа = 35% всего за 10 минут. Это говорит о том, что такая микроэмульсия перспективна для дальнейшей разработки метода полирования алюминия с помощью микроэмульсий, позволяющего
регулировать толщину стравленного слоя и формировать рельеф на поверхности с необходимой шероховатостью.
Список литературы
1. Грилихес С.Я. Электрохимическое и химическое полирование: теория и практика.
Влияние на свойства металлов. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. 232 с.
2. Мурашова Н.М., Левчишин С.Ю., Субчева Е.Н., Краснова О.Г., Юртов Е.В. Химическое полирование алюминия с помощью обратных микроэмульсий, содержащих кислоту // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2020. Т. 56, № 3. С.309-316.
3. Полякова А.С., Тюлягин П.Е., Мурашова Н.М. Кинетика химического полирования алюминия с помощью обратной микроэмульсии, содержащей фосфорную кислоту // Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр. Том XXXIII, № 10 (220). -М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2019. С. 41-43.
4. Мякишева Е.А., Чумаевский В.А. Способ химического полирования алюминия// Патент ЯИ №2101386 (Россия), опубликовано 10.01.1998.
5. Мякишева Е.А., Чумаевский В.А. Способ химического полирования алюминия // Патент RU №2104329 (Россия), опубликовано 10.02.1998.
