Электрохимическое травление медных поверхностей для достижения сверхгидрофобности

Кушик Н., Джеймсон Кейшам, Авинаш Пуджары, Латеш, Шанкараппа Калгуди, Павитра Г.П., Сатья Нараян
26.07.2021 475

В настоящем исследовании была предпринята попытка добиться сверхгидрофобности медной подложки путем травления поверхности при различных параметрах (плотность тока и продолжительность воздействия)

Продолжительность травления варьировалась от 30 до 240 минут. Угол смачивания необработанной медной поверхности составлял 91,4°. Травленная поверхность с наилучшими показателями продемонстрировала максимальный угол смачивания 142,1° при плотности тока 0,01 А/см2 и продолжительности травления 60 минут. Взаимосвязь структуры и свойств травленной медной поверхности обсуждалась посредством интерпретации результатов исследования, проведенного с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ), с учетом углов смачивания.

Ключевые слова: угол смачивания, медная пластина, травление, сверхгидрофобные поверхности, шероховатость поверхности

ВВЕДЕНИЕ

Смачивание – одно из самых важных свойств жидкостей для распределения по твердой подложке. Смачивание твердых тел жидкостью имеет важное технологическое значение. Для некоторых областей применения требуется хорошее смачивание между жидкостью и поверхностью подложки (например, пайка, печать), в то время как в других сферах, таких как окраска и солнечные панели, требуется низкое смачивание (или водоотталкивающие свойства).

Угол смачивания служит показателем степени смачивания или смачиваемости поверхности жидкостью [1].

Поверхность классифицируется как гидрофильная (влаголюбивая) или гидрофобная (боящаяся воды) в зависимости от характера взаимодействия с ней или прилипания капель воды. Как правило, если угол смачивания водой меньше 90° (или значительно ниже), поверхность считается гидрофильной. Поверхность, которая демонстрирует угол смачивания жидкостью больше 90°, считается гидрофобной. Однако некоторые поверхности отталкивают капли воды, т.е. чрезвычайно трудно смачиваются.

Сверхгидрофобная поверхность – это поверхность, которая отталкивает воду до такой степени, что угол смачивания имеет крайне высокое значение; обычно они определяются как поверхности с углом смачивания водой выше 150°, а иногда принимается и поверхность с углом смачивания 140° [2].

Сверхгидрофобность также называется эффектом лотоса. Сверхгидрофобные поверхности впервые наблюдались в растительном и животном мире [3].

К ним проявили интерес специалисты в различных областях, разрабатывающие технологии водоотталкивания, самоочистки, препятствия загрязнениям и противообледенения. Сверхгидрофобные поверхности обычно получают путем придания шероховатости или создания микро- или наношероховатых поверхностей [4].

Медь (Cu) обладает такими важными свойствами, как пластичность, электро- и теплопроводность.

Благодаря этим свойствам медь часто используется в производстве электрических проводников, теплообменников, сантехнических сетях и т.д. Несмотря на эти преимущества, медь весьма чувствительна к коррозии, т.е. подвержена окислению [5, 6].

В данной работе была предпринята попытка добиться сверхгидрофобности медной поверхности методом электротравления. Затем оценивалось влияние электротравления на шероховатость поверхности медной подложки и угол смачивания водой.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Изначально медная подложка (чистота 99%) была механически отполирована с помощью наждачной бумаги № 2000 и очищена трихлорэтиленом (CHCl*CCl2) для удаления с поверхности органических примесей. После очистки поверхность погружали в концентрированную серную кислоту (H2SO4) для удаления оксидов меди. Медная подложка площадью 4 см2 подвергалась электротравлению.

Анодные и катодные медные пластины погружали в электролитический раствор 0,1M H2SO4.

Электротравление проводили электростатически с использованием источника питания постоянного тока (Aplab LD3205) при плотности тока 0,01 А/см2. Продолжительность электротравления варьировалась от 30 до 240 минут.

После электротравления образцы сканировали с помощью атомно-силового микроскопа (Bruker AFM), чтобы оценить шероховатость протравленной поверхности и трехмерную структуру поверхностей, образованных на медных подложках. Капельный анализ выполняли для измерения угла смачивания между каплей воды и подложкой с помощью анализатора (KrussDSA100) при температуре окружающей среды, чтобы оценить смачивающие свойства.

Оценка углов смачивания выполнялась с помощью компьютерной программы для анализа формы капли.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Для протравленных медных поверхностей: разномасштабные изображения рельефа поверхности, полученные методом атомно-силовой микроскопии, представлены на рисунке 1 (a, b). Видно, что наблюдалось несколько больших выступов, около 2314 нм, а многочисленные возвышения распределялись иерархически вокруг участков нетравленной медной поверхности.

Рисунок 1. Трехмерные изображения, полученные с помощью атомно-силового микроскопа: (a) необработанная медная поверхность; (b) медная поверхность после 60 минут травления.

При исследовании оголенной медной поверхности с помощью атомно-силового микроскопа средняя шероховатость составляла 20,6 нм. Медные поверхности после электротравления в течение 60 и 240 минут демонстрировали среднюю шероховатость 203 и 243 нм, соответственно, т.е. обработанные поверхности были более шероховатыми.

Данные о влиянии продолжительности электротравления на угол смачивания медной подложки представлены в таблице 1.

Образец с оголенной медной поверхностью продемонстрировал угол смачивания водой 91,4°. На рисунке 2 показано, что травление медной поверхности приводит к увеличению угла смачивания по сравнению с исходными поверхностями. Четко видно, что увеличение времени травления оказывает негативное воздействие на гидрофобность поверхности. Угол смачивания 142,1° был получен при травлении в течение 60 минут. Угол смачивания уменьшается при увеличении времени травления, при этом все остальные параметры остаются неизменными.

Рисунок 2. Угол смачивания при различной продолжительности травления: (a) необработанная медная поверхность, (b) 30 минут, (c) 60 минут, (d) 120 минут, (e) 240 минут.

Это указывает на то, что оптимальная шероховатость достигается при травлении медной подложки в течение 60 минут, которая продемонстрировала большую сверхгидрофобность, чем другие образцы после травления. По изображениям видно, что сверхгидрофобные поверхности медных пластин имеют бинарные геометрические структуры в микрометровом и нанометровом масштабах.

Предполагается, что микро- и наноструктуры, вероятно, уже захватили достаточное количество воздуха, чтобы предотвратить проникновение капель воды в полости и углубления, что придало поверхностям сверхгидрофобность. После обработки капли воды не могут проникать в полости и углубления поверхностей, поскольку их заполняет воздух.

Известно, что в обычных металлах имеются дислокационные дефекты, которые первыми растворяются при воздействии на металлы химических травителей. Поэтому контролируемое химическое травление можно использовать для создания микро-наноструктур на металлических поверхностях. Изменение статического угла смачивания в зависимости от времени можно выразить следующим образом: при меньшей продолжительности травления угол смачивания меньше; при большем времени травления угол смачивания больше; и более длительное травление оказывает негативное воздействие на угол смачивания и уменьшает его. Это может быть связано с увеличением времени травления образованных микроструктур, которые способствуют повышению гидрофобности поверхностей; в то время как более длительное травление может привести к коррозии этих микроструктур, и оказывает негативное воздействие на гидрофобность.

ВЫВОДЫ

Исходя из полученных результатов и проведенного обсуждения сделаны следующие выводы:

  • при меньшей продолжительности травления угол смачивания меньше, при более продолжительном травлении угол смачивания больше, длительное время травления оказывает негативное влияние на угол смачивания, уменьшая его;
  • оптимальная шероховатость была достигнута при травлении медной подложки в течение 60 минут (около 203 нм), данный образец продемонстрировал более высокую сверхгидрофобность (угол смачивания 142,1°), чем другие поверхности после травления.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

  1. Бхагават П, Прабху К.Н., Сатьянараян. Характеристики смачивания металлических подложек реакционноспособными и нереакционноспособными жидкостями. Журнал Int J Chem Mol Nucl Mater Metall Eng. 2013; 7(1): стр. 29–32. Всемирная академия науки, техники и технологий.
  2. Крик К.Р., Паркин И.П. Подготовка и оценка характеристик сверхгидрофобных поверхностей. Журнал Chemistry. 2010; 16(12): стр. 3568–3588.
  3. Цзян С, Го З, Лю Г, Гиймах Г, Ли К, Дун Х. Быстрый одностадийный процесс изготовления биомиметрических сверхгидрофобных поверхностей методом электроосаждения пульсирующим током. Журнал Materials. 2017; 10(11): стр. 1229.
  4. Ли П, Чен К, Янг Г, Ю Л, Чжан П. Изготовление сверхгидрофобных композиционных покрытий путем травления в растворе медь-серебро/стеариновая кислота и оценка их антифрикционной и противокоррозионной способностей. Журнал Mater Expr. 2014; 4(4): стр. 309–316.
  5. Лю В, Сюй К, Хань Дж, Чен К, Мин И. Новый комбинированный подход к подготовке сверхгидрофобной поверхности меди и коррозионная стойкость. Журнал Corros Sci. 2016; 110: стр. 105–113.
  6. Ван И, Чен М, Лю В, Шэнь К, Мин И, Сюй К. Исследование подготовки сверхгидрофобной поверхности чистой меди гидротермальным методом и коррозионная стойкость. Журнал Electrochim Acta.2018; 270: стр. 310–318.

Кушик Н., Джеймсон Кейшам, Авинаш Пуджары, Латеш, Шанкараппа Калгуди, Павитра Г.П., Сатья Нараян. Факультет машиностроения, химический факультет, Инженерно-технологический институт Альвы, Мудабидри, штат Карнатака, Индия

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.

Вам будет интересно

Золочение: твердое или мягкое
Золочение: твердое или мягкое
Чтобы правильно определить, какой тип золотого гальванопокрытия лучше подойдет для конкретного применения, необходимо рассмотреть пять…
Мэтт Линдстедт
08.10.2019
2050
Электрохимическая модификация поверхности в медицине
Электрохимическая модификация поверхности в медицине
В работе рассмотрены электрохимичсекие методы модификации поверхности материалов, изделий, инструментов и устройств, применяемых в медицине…
Гольдин М.М., Евсеев А.К., Шапиро А.И., Иванова К.В., Одинокова И.В., Смирнов К.Н.
21.01.2020
1368
Гибридизация как эффективное соединение, исследование электрохимической коррозии как необходимость. Часть 1.
Гибридизация как эффективное соединение, исследование электрохимической коррозии как необходимость. Часть 1.
Технология получения композиционных материалов позволяет создавать конструкции с высокой степенью интеграции, где количество компонентов и…
А. Виандиер, Д. Стефаниак, К. Хухне, М. Синапиус
22.01.2020
700
Конверсионные покрытия: фосфат или цирконий
Конверсионные покрытия: фосфат или цирконий
У каждого есть свои преимущества, но цирконий быстро становится предпочтительным вариантом с точки зрения предварительной…
Серджио Манчини
24.08.2020
2198
Открыта регистрация на выставку ExpoCoating Moscow
Открыта регистрация на выставку ExpoCoating Moscow
25-27 октября 2022 года в МВЦ «Крокус Экспо» пройдет ключевая выставка материалов и оборудования для…
15.06.2022
6183
Заключительная обработка анодированных покрытий.
Заключительная обработка анодированных покрытий.
Для заключительной обработки анодированных покрытий обычно применяется две технологии: уплотнение в горячей воде при температуре…
П. Волк, К. Вейгельт
19.10.2020
468
Современные способы металлизации
Современные способы металлизации
Внедрение инновационных процессов позволяет добиться успеха в конкурентной борьбе на рынке печатных плат
Альфио Колнаго, др. Юрген Хьюб
07.08.2018
2491
Значение покрытий, полученных методом вакуумного напыления, для медицинских изделий
Значение покрытий, полученных методом вакуумного напыления, для медицинских изделий
Нанесение покрытий на медицинские изделия методом вакуумного напыления обеспечивает как эстетические, так и функциональные преимущества.…
Дерек Корн
30.06.2020
1390
Предотвращение катастроф в гальванических ваннах
Предотвращение катастроф в гальванических ваннах
Около 75% пользователей технологических резервуаров сообщают о сбоях в работе. Мы расскажем, как этого избежать.
Кертис Год
21.04.2021
375