مقاله تولید نانو غشای آلومینای آندی و بررسی پارامترهای موثر بر مورفولوژی حفره ها

بخشی از مقاله

چکیده

آندایزینگ آلومینیوم به دلیل توانایی ایجاد ساختار نانو متخلخل دارای کاربردهای فراوانی در زمینههای مختلف میباشد. استفاده از این روش برای تولید ساختارهای نانویی، یکی از راههای دقیق به دست آوردن غشاهای نانو با نظم بالا است. برای هرکابرد خاص به اندازه حفره و ضخامت لایه مناسب نیاز است. تغییر پارامترهای موثر بر فرآیند آندایز میتواند منجر به بهینهسازی اندازه حفرهها و همچنین فاصله بین حفرهها گردد. در این پژوهش ساخت غشاهای آلومینایی با اندازه حفره زیر 100 نانومتر مورد بررسی قرار گرفته و اثر عواملی همچون نوع الکترولیت - اسید سولفوریک و اسید اکسالیک - ، دما و ولتاژ بر ساختار حفره ها مورد مطالعه قرار گرفته است. آندایز به صورت تک مرحلهای و دومرحلهای انجام شد . غشای نانویی با حذف زیر لایه آلومینیومی توسط محلول کلرید مس در دو غلظت متفاوت به دست آمد. ساختار غشاها توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی مورد مطالعه و تحلیل قرار گرفت. نتایج تحقیق نشان داد که غشای ایجاد شده در محلول اسید سولفوریک در مقایسه با اسید اکسالیک دارای قطر و فاصله بین حفرههای کمتری میباشد. قطر حفرههای تولید شده با استفاده از اسید سولفوریک به 20 نانومتر رسید که یکی از کاربردهای آن در زمینه فیلتر کردن آب به منظور جداسازی فیزیکی املاح سنگین - قطر بالاتر از 100 نانو متر - میباشد.

واژههای کلیدی: آندایزینگ، بهینهسازی حفرهها، حذف زیرلایه، نانوغشا، جداسازی فیزیکی.

-1 مقدمه

آندایزینگ یک فرآیند الکتروشیمیایی است که به منظور افزایش ضخامت لایهی اکسیدی که به صورت طبیعی روی سطح فلزاتی نظیر آلومینیوم، تیتانیوم و هافنیوم تشکیل میشود، به کار میرود. این فرآیند برای اولین بار، در سال 1923، در مقیاس صنعتی مورد استفاده قرار گرفت؛ سپس به سرعت گسترش یافت. آندایز آلومینیوم برای اولین بار در سال 1927، توسط گوور1 و اوبرین2، در الکترولیت اسید سولفوریک انجام شد . [1] اسید سولفوریک، اسید اکسالیک و اسید فسفریک برای تولید آلومینای آندی بیشترین کاربرد را دارند 3]،.[2 در سال 1995، ماسودا 3 و فوکادا 4 طی یک فرآیند آندایز به مدت زمان 16 ساعت، تحت پتانسیل ثابت و در الکترولیت اسید اکسالیک به آرایهی خود نظم یافتهای از نانوحفرههای آلومینا دست یافتند. آنها گزارش کردند که عمق این حفرهها، که با دقت بسیار خوبی به صورت کندوی عسل تشکیل میشوند، با افزایش زمان آندایزینگ، افزایش مییابد .[4]

فرآیند آندایز در حالت تعادل بین دو فرآیند رقابتی زیر رخ میدهد:
-1 حل شدن لایهی اکسید در سطح مشترک لایهی اکسید و الکترولیت، که ناشی از حضور میدان الکتریکی میباشد. -2 رشد لایهی اکسید در سطح مشترک فلز و لایهی اکسید.فرآیند دوم به دلیل مهاجرت یونهای حامل اکسیژن از محلول الکترولیت به درون لایه اکسید، در ته حفرهها اتفاق میافتد. از طرف دیگر، یونهای فلزی، که در لایه اکسید درحال پیشروی هستند، در فصل مشترک لایه اکسید و الکترولیت، به درون الکترولیت رانده میشوند. در واقع مهاجرت یونهای فلزی به درون الکترولیت، شرط لازم برای رشد لایه اکسید متخلخل میباشد. دلیل این امر، مهاجرت یونها به سطح مشترک لایه اکسید و الکترولیت است که موجب رشد لایه سدی میشود که در شکلگیری لایهی اکسید نقش دارد.[5]ضخامت لایه حایل و قطر حفرهها به میزان زیادی به دما و ولتاژ فرآیند آندایز بستگی دارد 7]،.[6 درحالیکه ضخامت لایه آندایز بیشتر وابسته به مدت زمان آندایزینگ میباشد .[8] زمینه نانو متخلخل شکل گرفته بر روی پایه آلومینیومی باعث ایجاد کاربردهای فراوانی در زمینه مغناطیس، الکترونیک و فوتونیک شده است 10]،9،.[7 همچنین از این لایه به منظور رنگی سازی آلومینیوم با استفاده از رنگدانه استفاده میشود. آلومینای آندی توانایی تولید نانو لوله و نانو میله های مختلف را دارد .[11]

در سال 1973 اسمیت با حذف زیرلایه آلومینیومی موفق به تولید غشای آلومینا شد.[12] پس از تولید غشا و حذف زیر لایه، ایجاد ساختار منظم به دلیل کاربردهای بیشتری که غشای سرامیکی به خود اختصاص داد، از اهمیت بیشتری برخوردار شد. از این رو تلاشهای گستردهای برای ایجاد نظم نانو حفرههای اکسید آندی صورت گرفت. از جمله میتوان به بررسی اثر جریان ضربانی بر ساختار و خواص پوشش آبکاری مواد مرکب اشاره کرد .[13] همچنین نوع حفرههای تولید شده با فرآیند آندایز برای نمونه آلومینیومی در محلول اکسالیک اسید و بررسی نوع و آرایش حفرهها با تغییر در نوع محلول با افزایش مقادیر مختلف اتانول صورت گرفت که منجر به ساختار با نظم بالاتری شد .[14] غشای تولید شده به این روش میتواند در زمینه سنسورهای زیستی، سنسورهای گازی و همینطور پایه مناسبی در زمینه مهندسی بافت استفاده گردد .[15-17] با توجه مطالب یاد شده، غشای آلومینای آندی با قطر و ضخامت معین برای کاربرد مشخص از اهمیت ویژه ای برخوردار است. حذف زیر لایه آلومینیومی و تولید غشای آلومینیومی باعث افزایش کاربردهای این محصول در زمینه های مختلف شده است. از این رو بهینه کردن ساختار آلومینای آندی و روشهای مناسب برای از حذف زیرلایه و تولید غشا در این پژوهش مورد مطالعه و بررسی قرار گرفت.غشای تولید شده دارای قطر زیر 100 نانومتر است که به عنوان فیلتر به منظور جداسازی فیزیکی املاح ازآّب قابل استفاده میباشد.

-2 روش تحقیق

در این تحقیق از نمونههای آلومینیوم خالص تجاری دارای خلوص بالای 99 درصد - سری - 1050 استفاده شد. نمونهها در قطعات دایره ای شکل به شعاع 2 سانتیمتر آماده سازی شد. به منظور همگن شدن ساختار آلومینیوم اولیه، عملیات آنیل بر روی نمونهها به مدت 4 ساعت در دمای 500 درجه سانتیگراد انجام شد. نمونهها به منظور چربی زدایی در محلول استون، درون دستگاه اولتراسونیک قرار داده شد. عملیات الکتروپولیش در محلول پرکلریک اسید و اتانول به نسبت یک به چهار در ولتاژ 10 ولت به مدت زمان 2 دقیقه انجام شد. سپس نمونه ها به عنوان آند، درون محلول اسید سولفوریک با غلظت 165 گرم بر لیتر در ولتاژ کاری 5- 20 ولت در دمای 0-20 درجه سانتیگراد در مدت زمان 5-50 دقیقه و همچنین در محلول اکسالیک اسید در ولتاژ کاری 40-110 در دمای 0-10 درجه سانتیگراد در مدت زمان 20-60 دقیقه و کاتد نیز از جنس فولاد ضد زنگ انتخاب شد و آندایزینگ صورت گرفت.

برای فرآیند آندایز دو مرحله ای، قطعات آندایز شده به منظور حذف لایه اولیه تولید شده در مرحله اول، در محلول کرومیک اسید و فسفریک اسید به ترتیب با مقدار 20 و 35 گرم در لیتر در دمای 80 درجه سانتیگراد به مدت 15 دقیقه قرار داده شد و سپس با پارامترهای لایه تولید شده در مرحله اول، مورد آندایز مجدد قرار گرفت. ضخامت نمونهها پس از مانت کردن توسط میکروسکوپ نوری Olympus CX21 مشاهده و اندازهگیری شد. نمونههای تولید شده به منظور حذف زیر لایه آلومینیومی به طور مجزا در محلول کلرید مس با دو غلظت 0/1 و 1 مولار قرار داده شد. دستگاه میکروسکوپ الکترونی روبشی FE-SEM TESCAN MIRA3 LMU به منظور بررسی مورفولوژی سطح نمونههای آندایز شده، مقطع لایهها و سطح زیرین لایه ها استفاده گردید.

-3 نتایج و بحث

تاثیر پارامترهای دما، ولتاژ و زمان در لایه تولید شده در فرآیند آندایز در شکلها و نمودارهای 1 تا 3 آورده شده است. با افزایش دما و ولتاژ فرآیند آندایز، میزان ضخامت لایه آلومینا افزایش مییابد ولی تاثیر آن نسبت به تاثیر افزایش زمان پوشش دهی کمتر میباشد. با توجه به شکل و نمودار 1 هرچه دمای الکترولیت افزایش یابد، میزان دانسیته جریان افزایش مییابد که در نتیجه آن میزان رشد لایه افزایش می یابد. مطابق با شکل و نمودار 2 ولتاژ نیز رابطه مستقیم با چگالی جریان دارد و با افزایش ولتاژ، میزان چگالی جریان افزایش یافته و منجر به افزایش ضخامت لایه آندی میشود. با توجه به شکل و نمودار 3 با افزایش زمان آندایز و با ضخیمتر شدن ضخامت لایه آلومینای نانو متخلخل افت چگالی جریان رخ می دهد ولی این مقدار افت بصورت نزولی نیست و در نهایت در یک مقدار حدی در چگالی جریان خاص، ثابت میماند و رشد لایه همچنان ادامه پیدا میکند.

تاثیر رفتار اکسالیک اسید بر روی ضخامت با تغییر پارامترهای آندایز همانند تاثیر اسید سولفوریک میباشد، با این تقاوت که مقدار افت چگالی جریان در محلول اسید اکسالیک با افزایش زمان افت بیشتری مییابد و سپس ثابت میگردد. از این رو در هر دو الکترولیت استفاده شده، با افزایش زمان فرآیند آندایز بطور پیوسته تا انتهای فرآیند پوشش دهی، توانایی افزایش میزان ضخامت لایه آلومینا وجود دارد .[8] همچنین امکان ایجاد نسبت قطر به ارتفاع بالای 1000 نیز گزارش شده است .[18] اگرچه افزایش ضخامت پوشش در مواردی که کاربرد خوردگی یا سایش مد نظر باشد مفید است، به منظور کاربرد لایه آلومینای نانو متخلخل به عنوان غشا، افزایش ضخامت لایه آندی میتواند احتمال کاهش میزان عبور سیال از غشا را کاهش دهد یا فشار لازم را برای شار مناسب سیال از غشا افزایش خواهد داد. به همین دلیل باید ضخامت غشا برای کاربردهای نفوذ پذیری و فیلتر کردن مواد به میزان بهینه انتخاب گردد.