CC BY
10
УДК 621.793 ББК 24.57+24.58
Глухов В.Г., Ботрякова И.Г., Поляков НА.
ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ЭЛЕКТРОЛИЗА И КОМПОНЕНТОВ ЭЛЕКТРОЛИТА НА СВОЙСТВА СУПЕРГИДРОФОБНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ МЕДИ
Институт физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН (Россия, г. Москва) E-mail: glukhov.vyacheslav.1995@gmail.com
В работе сравниваются три электрохимических способа достижения шероховатости, необходимой для супергидрофобности: реверсивная обработка током, осаждение дендритов и получение композитов Cu-SiC. Ключевые слова: электроосаждение, композиционные покрытия, супергидрофобнные покрытия
INFLUENCE OF ELECTROLYSIS CONDITIONS AND ELECTROLYTE COMPONENTS ON THE PROPERTIES OF SUPERHYDROPHOBIC COPPER-BASED COATINGS
V.G. Glukhov, I.G. Botryakova, N.A. Polyakov
Frumkin Institute of Physical chemistry and Electrochemistry RAS (Russia, Moscow)
The work compares three electrochemical methods for achieving the roughness necessary for superhydrophobicity: reversible current treatment, dendrite deposition, and obtaining a Cu / SiC composite.
Key words: electrodeposition, composition coatings, superhydrophobic coatings
Супергидрофобные покрытия обладают рядом позитивных качеств: они защищают металл от коррозии, от обледенения, способны к самоочищению, снижают трение жидкости и др. Вместе с тем, есть ряд факторов ограничивающих их применение. В первую очередь, при попытке перейти от лабораторных образцов к их прикладному использованию встаёт вопрос о механической прочности и износостойкости поверхности, так как для достижения супергидрофобности покрытие должно не только иметь неполярные соединения на своей поверхности, но и обладать определенной шероховатостью. Достижение последней зачастую требует создания на поверхности весьма хрупких разветвлённых микроструктур, которые разрушаются даже при самом слабом механическом воздействии. Вторым, не всегда, но часто встречающимся ограничением, становится стоимость и масштабируемость способа получения покрытия.
Гальванический подход к созданию шероховатости сравнительно дешев и масштабируем, а потому перспективен. Несмотря на то, что осаждаемые металлы, в частности медь, часто изначально имеют сравнительно гидрофильную поверхность, это легко изменить нанесением тонкого слоя гидрофобизатора, например, стеариновой кислоты или 1 -додекантиола.
Первые опыты были посвящены получению необходимых микроструктур путём реверсивной обработки меди в одномолярном растворе серной кислоты. Пластинка металла попеременно поляризовалась при Еан. = 373 мВ (х.с.э.) и Екат. = -1008 мВ (х.с.э.), продолжительность импульсов варьировалась. При анодной поляризации медь растворялась, при катодной - осаждались дендритные структуры, которые также позже частично
растворялись. Лучших результатов получилось достичь при асимметричной обработке: продолжительность анодной поляризации 0,05 секунд, катодной - 0,1 секунда. После выдержки в спиртовом растворе стеариновой кислоты (10 ммоль) покрытие, полученное в течение 40 секунд реверсивной обработки имело угол смачивания 154 градуса, а в течение 120 секунд - 158 градусов.
К сожалению, эти, как и другие подобные, поверхности с дендритной структурой обладали крайне низкой механической устойчивостью и смывались даже направленной струёй воды.
При осаждении на токе выше предельного из разбавленного электролита меднения (0,25М СиБ04,
0.5М Ш804) получаются более прочные структуры. Наибольшими углами смачивания обладают покрытия, осажденные в течение 50 секунд при плотностях тока 0,25 А/см2 (163 градуса) и 0,5 А/см2 (160 градусов).
При данных режимах на поверхности образуются кораллоподобные микроструктуры - Рис.
1. Для придания им большей прочности, было принято решение осадить на малой плотности тока (0,01 А/см2) из того же электролита небольшой слой меди (продолжительность обработки 20 секунд). Он позволил покрытию выдерживать направленную струю воды, но при этом угол смачивания не изменился.
Рис. 1 СЭМ-изображение покрытия полученного, при плотности тока 0,25 А/см2 из разбавленного электролита меднения
Была изучена коррозионная устойчивость таких покрытий. Будучи погружённым в
дистиллированную воду покрытие остается супергидрофобным на протяжении уже более двух лет. В камере соляного тумана оно выдержало более суток. То же покрытие в качестве замены стеариновой кислоты было обработано в парах 1-додекантиола, что увеличило его коррозионную стойкость и позволило выдержать в камере соляного тумана более 105 часов.
К сожалению, несмотря на устойчивость таких покрытий по отношению к потоку воды, они не выдерживают тампонирование фильтровальной бумагой, пусть и за счёт большой высоты дендритов не разрушаются сразу целиком.
Принципиально другой подход к получению супергидрофобных покрытий -использование осаждённых электрохимическим способом композитов. В этом случае необходимая шероховатость достигается за счёт соосаждения твёрдых частиц с металлов. В отличие от случая с кораллоподобными дендритами, когда разветвлённая структура покоится на относительно тонком основании, микроструктуры на поверхности композитов более напоминают полусферы.
Иллюстрацией этих слов может служить покрытие, полученное из электролита состава 1М СиБ04, 1М ШБ04, 30 ммоль/л ЦТАБ (ПАВ) и 40 г/л SiC (размером 40-60 нм) — см. Рис. 2, осаждение вели при плотности тока 0,1 А/см2 в течении 2,5 минут. Такое покрытие, после обработки стеариновой кислотой имеет угол смачивания 162 градуса и выдерживает как направленный поток воды, так и тампонирование фильтровальной бумагой.
Рис. 2 СЭМ-изображение медного композиционного супергидрофобного покрытия с частицами SiC
К сожалению, обработкой 1-додекантиолом не удаётся создать на поверхности композита устойчивую гидрофобную плёнку, но даже со стеариновой кислотой данное покрытие выдерживает в камере соляного тумана без следов коррозионного поражения более трех суток. Спустя 84 часа наблюдаются следы точечной коррозии, но в целом покрытие сохраняет свои супергидрофобные свойства.
В заключение стоит отметить, что с точки зрения механической устойчивости супергидрофобные композиционные покрытия являются
перспективными. Однако задачей для будущих исследований остаётся подбор гидрофобизатора, который бы хорошо адсорбировался как на меди, так и на частицах дисперсной фазы.
