Электрохимическое травление медных поверхностей для достижения сверхгидрофобности

Кушик Н., Джеймсон Кейшам, Авинаш Пуджары, Латеш, Шанкараппа Калгуди, Павитра Г.П., Сатья Нараян
26.07.2021 216

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

Маленькие выпрямители с большими возможностями
Маленькие выпрямители с большими возможностями
В статье рассмотрены новые возможности выпрямителей Гальванотех, их применение в лабораторных и производственных условиях.
Логинов Д.В., Ананченко В.В
09.11.2020
422
Намеренное избыточное нанесение покрытия
Намеренное избыточное нанесение покрытия
Технология нанесения покрытий развивалась медленнее, чем другие производственные процессы. В то время как в этой…
Фелипе Атти, KraftPowercon
24.09.2019
552
Загрязнения в ванне блестящего никелирования
Загрязнения в ванне блестящего никелирования
Предположим, вы обрабатываете детали в ванне блестящего никелирования Уоттса для автомобильной промышленности, но она, по-видимому,…
Адам Г. Блейкли
07.02.2022
119
Наноалмазы в гальванических хромовых покрытиях
Наноалмазы в гальванических хромовых покрытиях
Опытное производство в Юбилейном, городе, где сосредоточены высоконаучные предприятия космической отрасли
Е. В. Рыжов, Ю.Л. Кощеев, Т.М. Марусина, С.А. Кузнецов, А.С. Белоногов
07.08.2018
1157
Проблема не всегда в уплотнении
Проблема не всегда в уплотнении
Ненадлежащие условия анодирования могут привести к получению некачественных покрытий и несоответствию стандарту AAMA 611.
Джордж О, Натан Шеффилд
30.06.2020
510
Покрытие для возвращения космических кораблей на Землю
Покрытие для возвращения космических кораблей на Землю
Одним из ключевых аспектов программы НАСА "Артемида" является восстановление капсулы "Орион" после приводнения. Океаническая среда…
Скотт Фрэнсис
15.09.2022
77
Экономически выгодное решение задач отделки поверхности
Экономически выгодное решение задач отделки поверхности
Гибкие хоны решают проблемы шероховатости поверхности и изменения размеров анодированных цилиндров, соединяемых с другими деталями.
Фабио Бойокки
05.02.2019
544
Методы очистки сточных вод
Методы очистки сточных вод
При выполнении отделочных операций, помимо соблюдения стандартных требований, необходимо учитывать влияние на окружающую среду и…
Тим Ханна
04.08.2020
428
Коррозионностойкие покрытия нового поколения для электроники
Коррозионностойкие покрытия нового поколения для электроники
Необходимость в повышении надежности привела к введению более жестких требований
Роб Скетти
14.09.2021
238