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
- 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.
- Крик К.Р., Паркин И.П. Подготовка и оценка характеристик сверхгидрофобных поверхностей. Журнал Chemistry. 2010; 16(12): стр. 3568–3588.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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
