CC BY
24
УДК 544.720
Тюлягин П.Е., Морозова Я. А., Мурашова Н.М., Насакина Е.О.
ТРАВЛЕНИЕ ТИТАНА С ПОМОЩЬЮ ОБРАТНЫХ МИКРОЭМУЛЬСИЙ ДОДЕЦИЛСУЛЬФАТА НАТРИЯ, СОДЕРЖАЩИХ НЕОРГАНИЧЕСКИЕ КИСЛОТЫ
Тюлягин Петр Егорович - аспирант 2-го года обучения кафедры наноматериалов и нанотехнологии; sos687www@gmail.com.
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.
Морозова Ярославна Анатольевна; Насакина Елена Олеговна - старший научный сотрудник; ФГБУ H «Институт металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова- РАН», Россия, Москва, 119334, Ленинский пр-т., 49
В статье рассматривается применение микроэмульсий додецилсульфата натрия для химического травления титана. Изучены составы обратных микроэмульсий в системе додецилсульфат натрия (ДСН) - бутанол-1 -керосин - водный раствор смеси кислот HF - H2SO4. Показана возможность применения данных составов микроэмульсий для химического травления титана. Предложен состав микроэмульсии для дальнейшей разработки метода травления титана и его сплавов.
Ключевые слова: обратная микроэмульсия, титан, додецилсульфат натрия, химическое травление, микроэмульсионное травление, наноструктурированная среда, травление титана, рельеф поверхности
ETCHING OF TITANIUM WITH REVERSE MICROEMULSIONS OF SODIUM DODECYLSULFATE CONTAINING INORGANIC ACIDS
Tyulagin P.E.1, Morozova Ya.2, Murashova N.M.1, Nasakina E.O.2
1 Mendeleev University of Chemical Technology, Moscow, Russian Federation
2 A.A. Baikov IMET RAS, Moscow, Russian Federation
The article discusses the use of sodium dodecyl sulfate microemulsions for chemical etching of titanium. Compositions of reverse microemulsions in the system sodium dodecyl sulfate (SDS) - butanol-1 - kerosene - aqueous solution of a mixture of acids HF - H2SO4 have been studied. The possibility of using these compositions of microemulsions for chemical etching of titanium is shown. The composition of the microemulsion is proposed for the further development of the method of etching titanium and its alloys using microemulsion.
Key words: reverse microemulsion, titanium, sodium dodecylsulfate, chemical polishing, microemulsion polishing, nanostructured media, etching of titanium, surface topography
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 пробоподготовке 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 АЯ7, = 20,6% [3].
Изготовление медицинских изделий из материалов с эффектом памяти после химической полировки поверхности позволяет существенно увеличить коррозионную стойкость и биосовместимость с человеческим организмом [4]. В медицине для подготовки титановых изделий в основном используют пескоструйную обработку и/или напыление тонкого переходного слоя. Однако данными методами не всегда удается получить поверхность титана требуемого качества [5].
Целью данной работы было исследование возможности полирования или травления титана с помощью обратных микроэмульсий в системе додецилсульфат натрия (ДСН) - бутанол-1 - керосин
- водный раствор смеси кислот HF - Ы2Б04.
Экспериментальная часть
Для химического полирования были выбраны микроэмульсии (МЭ1 и МЭ2), для которых массовая доля керосина в смеси керосина и водной фазы составляла 0,74 и 0,9 соответственно, а молярное соотношение бутанола-1 и ДСН 5" составляло 5. Методом титрования смеси, содержащей рассчитанные количества воды, бутанола-1 и ДСН, керосином при температуре 25°С было определено, что микроэмульсия МЭ1 способна включать одновременно до 0,9 и 0,5 моль/л ЫР и Ы2Б04 в составе водной фазы соответственно, а микроэмульсия МЭ2 -до 0,5 и 0,9 моль/л ЫБ и Ы2Б04 в составе водной фазы соответственно.
Исследуемый лист титана марки БТ1-0 толщиной 0,3 мм был разрезан на пластинки размером 0,5x0,5см.
Химическое полирование (травление) проводили в открытом сосуде при температуре 60°С в течение 5 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 HNO3 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 HNO3 с концентрацией 8 моль/л (5 сек) и в дистиллированной воде.
Поверхность металла после травления микроэмульсией анализировали на
микроинтерферометре МИИ-4. Исследуемый образец облучался красным монохроматическим светом с длиной волны 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
Профилограммы поверхности титановых пластинок дои после обработки микроэмульсиями МЭ1 и МЭ2 показаны на рис. 1. Результаты измерения шероховатости поверхности образцов представлены в таблице 1. Были определены параметры Ra и Rz:
р — £5=1(ДМЛД + 1ДМШ1) «г 10 .
Как видно из табл. 1, высота измеряемых неровностей, определяемых по 10 основным точкам после обработки металла микроэмульсиями МЭ1 и МЭ2, увеличивается более чем 20%, то есть происходит не процесс полирования, а процесс травления. О каком-либо различи между двумя способами травления по данному показателю судить нельзя, так как величина погрешности выше данного различия.
Рисунок 1. Интерферограммы поверхности титана: 1 - до травления; 2 - после травления микроэмульсией МЭ1; 3 - после травления микроэмульсией МЭ2.
Таблица 1. Оценка эффективности травления микроэмульсиями, содержащими кислоты
Параметры шероховатости МЭ1 МЭ2 контроль
Яа, нм 214±11 166±8 146±7
Кг, нм 1584±79 1482±74 1226±61
Изменение средней шероховатость поверхности титана, после травления микроэмульсией МЭ1 более чем в три раза выше, чем при травлении МЭ2, что говорит о том, что при травлении микроэмульсией МЭ1 растравливанию подвергаются не только крупные впадины, но и мелкие неровности поверхности металла (рис.2).
Е
14 V
/ Ч V ч
\ .г*
0 II! 1,- " -V ЩЬ ад 4 1 1 ад у 4 с> и
ь 4
ч
„—, к
0
1_1 Ж
щ
У V
41
Ц СИ 4»
Рисунок 2. Гистограммы распределения высот неровностей поверхности титана: 1 - до травления; 2 - после травления микроэмульсией МЭ1; 3 - после травления микроэмульсией МЭ2.
Так же, стоит отметить, что во время травления наблюдалось бурное выделение газа на поверхности металла, которая была погружена в микроэмульсию. После травления почернела обработанная поверхность титана. Предположительно, при этом происходили следующие химические реакции:
П + 6НР = Н2[ЛР6] + 2Н2 Т, П + 6Н2Б04 = Т12(504)3 + 3Б02 Т +6Н20.
Заключение
Была продемонстрирована возможность травления титана микроэмульсией, содержащей плавиковую и серную кислоту в низких концентрациях (менее 1,0 моль/л в водной фазе микроэмульсии). Показано, что обработка микроэмульсией, содержащей 0,9 и 0,5 моль/л ИР и Ы2304 в составе водной фазы, смогла увеличить среднюю шероховатость титана почти в два раза. Это говорит о том, что такая микроэмульсия перспективна для дальнейшей разработки метода травления титана 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. Заболотный В.Т, Белоусов О.К., Палий Н.А., Гончаренко Б.А., Армадерова Е.А., Севостьянов М.А., Материаловедческие аспекты получения, обработки и свойства никелида титана для применения в эндоваскулярной хирургии // Металлы, 2011. №3. С. 47-59.
5. Гузеева Л.А., Леонова А.С, Крикуненко А.С. Модификация поверхности и свойств титана медицинского назначения химическим травлением // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. - 2011. - №. 1 (1). С. 120-124
