بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به کاربرد وسیع آلیاژهای آلومینیوم در حوزه های مختلف، خوردگی و آلودگی می تواند مشکلات جدی در ظاهر و عملکرد آنها ایجاد کند. سطوح فوق آبگریز خودشوینده - SCSS - راه حل بالقوه ای برای چنین مسائلی است. در مطالعه حاضرSCSS با یک روش ساده ،کم هزینه با آندیزاسیون الکتروشیمیایی و پس از آن اصلاح سطح با استفاده از اسید میرستیک ساخته شدند. شکل ظاهری سطح و ترکیب آن با میکروسکوپ اتمی - AFM - و میکروسکوپ الکترونی اسکن نشر میدانی - FESEM - با طیف اشعه ایکس انتشاری انرژی EDS مشخص شد. زاویه تماس استاتیک آب CA و زاویه لغزشSA روی SDSS برابر 155,6 1 و 5,7 0,2 بود. براساس نتایج اندازه گیری الکتروشیمیایی چگالی جریان خوردگی SCSS کاهش معنی داری تا 3 برابر داشت و پتانسیل خوردگی از 0,838 Vبه 0,403 Vتغییر یافت که نشانگر مقاومت عالی در برابر خوردگی بود. پس از 9 ماه قرارگیری در دمای اتاق مطلوب بودن این عملکرد به اثبات رسید. همچنین پس از غوطه وری 36 ساعته در حلال های متداول ازجمله آب دی یونیزه و اتانول مطلق، سطح ثبات شیمیایی مناسبی داشت. بعلاوه SCSS از پیش آماده ، عملکرد خودشویندگی مناسبی را نشان داد.
واژگان کلیدی: سطوح فوق آب گریز ، آلیاژ آلومینیوم، آندیزاسیون، مقاومت در برابر خوردگی، خودشویندگی
- 1 مقدمه
خودشویندگی یکی از خصوصیتهای خیلی مطلوب برای تحقیقات در زمینه پوشش دادن بوده است. نمونهای از پدیدهی خودشویندگی در طبیعت بر روی برگ نیلوفر آبی مشاهده شده است. قطرهی آبی که بر روی برگ نیلوفر آبی میماند شکل کروی تقریباً کاملی را حفظ میکند و به آسانی به دور از ذرات گردوغبار روی سطح گردش کرده و آنها را میزداید. ثابت شده است که وجود دو عامل زبری سطح و هم چنین مواد با انرژی سطح پایین لازمهی رسیدن به یک سطح فوق آبگریز است. با این تعریف سطوح فوق آبگریز توسط مقادیر زاویهی تماسی آب بیشتر از 150 و زاویهی لغزشی کمتر از 10 مشخص شده اند.
آلیاژ آلومینیوم - AL - در طبیعت به فراوانی یافت می شود و بهره گیری از مزایای متعدد آنها نظیر وزن مخصوص پایین، مقاومت ویژه و رسانایی خوب آسان است. آلیاژهای آلومینیوم در طیف وسیعی از صنایع غیرنظامی ، حمل و نقل، ورزش و هوافضا کاربرد دارند.[1] معلوم شده است که آلومینیوم و آلیاژهای آن می تواند لایه اکسید نازکی در محیط های خشک و غیر شور ایجاد نماید که مانع از خوردگی بیشتر شود. با اینحال این لایه نازک، فعال و مستعد خوردگی و آلودگی در محیط های مرطوب است.[2-3] درنتیجه خوردگی بیشتر، موجب اختلال عملکرد و محدودسازی کاربرد در محیط های رطوبی و شور خواهد شد. جهت اجتناب از این دسته مشکلات تشکیل یک لایه سطحی مقاوم در برابر آلودگی و خوردگی در آلومینیوم و آلیاژهای آن سودمند خواهد بود که این امر بواسطه تغییر شکل ماهیت آبدوست سطوح آلومینیومی و آلیاژهای آن به فوق آبگریز قابل حصول خواهد بود.
یک سطح با زاویه تماس آب استاتیک - CA - بیشتر از 150 و زاویه لغزش - SA - کمتر از 10 فوق آبگریز تلقی می شود. چنین سطحی همواره مورد توجه پژوهش های اساسی بنیادین و عملکردهای اجرایی بوده که علت آن منحصربفرد بودن ویژگی هایی همچون خودشویندگی[4-6]، دفع آب[7]، ضد یخزدگی[8-10] و ضد خوردگی [11-13]، جداسازی آب و روغن[14-16] می باشد. عامل کلیدی در ایجاد یک سطح فوق آبگریز وجود یک لایه با انرژی کم در ساختار سلسله مراتبی زبر است.[17-21] بدین ترتیب برای ایجاد سطح فوق آبگریز روش های بسیار متعددی کاربرد موفقی داشته اند نظیر رسوب بخار شیمیایی، قلم زنی شیمیایی، روش سول ژل، غوطه ور شدن در محلول ، سنتز هیدروترمال و ساخت لیزری.
تاکنون برای ساخت سطوح فوق آبگریز بر روی آلومینیوم و آلیاژهای آن روش های مختلفی گزارش شده است. Yin و همکاران پوشش فوق آبگریزی را بر روی آلیاژ آلومینیوم از طریق قلم زنی شیمیایی و سپس تغییر سطح آماده کردند Barkhudavov .[22] و همکاران نیز از حلال پیشگیرانه ای حاوی ترکیب الکاکسید 3,3,3 تری فلوروپروپیل- تری متوکسی سیلان و ارتوسیلیکات تری ترامتیل با تغییر فرآیند فیلم نازک توانستند لایه نازک فوق آبگریز را روی سطح آلومینیومی ایجاد کنند Saleema .[23] و همکاران طی یک روش تک مرحله ای و با استفاده از فلوروآلکیل-سیلان در یک محیط پایه یک سطح آلیاژ آلومینیوم فوق آبگریز تولید کردند .[24]
بااینحال این روش ها هنوز هم دارای محدودیت هایی است و بهبود آنها درجهت حل مسائلی نظیر زمان اجرا، مقیاس پذیری، پیچیدگی روند کار و هزینه مواد شیمیایی بکاررفته ضرورت دارد. برعکس ، اجرای فرآیندهای الکتروشیمیایی آساننسبتاً، سریع و قابل تکرار است. درهمین حال تکنیک های موثری برای کنترل شکل ظاهری و زبری سطح، برای ایجاد سطح فوق آبگریز در مقیاس وسیع وجود دارند.[25] اکسیداسیون آندی آلیاژهای آلومینیوم در ایجاد نانوساختارهای یکنواخت و اکسید آلومینیوم آندی - AAO - ساخته شده به روش آندیزاسیون موردتوجه پژوهشگران و برنامه های کاربردی صنعتی قرار گرفته استWang .[26-28]
و همکاران با آندیزاسیون اسیدفسفریک و پس از آن اعمال پلاسما با دمای پایین و سپس اصلاح تری کلرو اکتادسیل-سیلان یک سطح فوق آبگریز بر روی لایه آلومینیوم تهیه نمودند .[29] طی سالهای اخیربا AAO سطوح فوق آبگریز زیادی ایجاد شده اند. با اینحال در تولید و راه اندازی محصولات مشکلات متعددی رخ می دهد. همانطور که می دانیم یکی از مهمترین کاربردهای سطوح فوق آبگریز، ایجاد مقاومت در برابرخوردگی در فلزات و آلیاژها است. بنابراین تلفیق فوق آبگریزی در اکسیداسیون آندی یک فرآیند جدید برای حفاظت آلومینیوم و آلیاژهای آن در برابر خوردگی خواهد بود. با این حال درزمینه مقاومت در برابر خوردگی مطالعات چندانی انجام نشده است. علاوه بر آن نبود ماندگاری و ثبات نیز ازجمله ضعف های متداول سطوح فوق آبگریز می باشد که دورنمای کاربرد آن را محدود می سازد. بسیاری از سطوح فوق آبگریز پس از مواجهه با محیط های سخت، نظیر مایعات داغ و حلال ها به سهولت آبگریزی خود را از دست می دهند که نشان از ضعف ثبات شیمیایی آن دارد. نکته مهم آنکه سطوح فوق آبگریزیکه قبلاً شرح داده شد از آب سرد تحت دمای محیطی استفاده می کنند که مشخصه بازدارندگی آنهاست.
اما درخصوص مقاومت آنها در برابر آب داغ - 50 و بالاتر - یا حلال ها اطلاعات چندانی موجود نیست. از نقطه نظر کاربردی ساخت سطوح آلیاژ آلومینیوم فوق آبگریز با ثبات شیمیایی و مقاومت عالی در برابر خوردگی از ضرورت بالایی برخوردار است. در مطالعه حاضر یک روش سودمند ، ساده و کم هزینه برای ایجاد یک SCSS در آلیاژ آلومینیومی با آندیزاسیون و اصلاح سطح با اسیدمیرستیک کم هزینه بکار گرفته شده است. SCSS در آلیاژ آلومینیوم با CA، 155 ,6 ±1° و SA ،5 ,7 ±0 ,2 ° بدست آمد. نتایج پژوهش حاکی از آنست که SCSS از پیش آماده شده نه تنها دارای دوام محیطی بلندمدت و ثبات شیمیایی مناسب است بلکه اثر خودشویندگی و مقاومت بالا در برابر خوردگی دارد. چنین سطحی کاربردهای صنعتی متعددی داشته و می تواند راه حل مناسبی برای مشکلات دائمی آلودگی و خوردگی زیست محیطی آلیاژهای آلومینیوم باشد. - 2 کار آزمایشگاهی - 1-2 مواد بکار رفته
آلیاژ آلومینیوم تجاری موجود ALY 120 - به ضخامت - 0,2 mm و اسید میرستیک [CH3 - CH2 - 12COOH] با خلوص %95 ، اسیدنیتریک، هیدروکسید سدیم، اسیدسولفوریک، کلرید سدیم و اتانول خالص آماده شد. از آب دی یونیزه - DI - برای آماده سازی کلیه محلول های آبی استفاده شد. - 2-2 ساخت SCSS ابتدا زیرلایه آلیاژ آلومینیوم با اندازه 2,5 cm × 0,2mm ×2,5cm بطور مکانیکی برای رفع لایه اکسید یا هیدروکسید از سطح با کاغذ کاربید سیلیکون درجه 1000 پولیش داده شد. سپس به شیوه آلتراسوندی به ترتیب به مدت 2 دقیقه با NaOH دارای درصد وزنی%5 و 2 دقیقه با NHO3 با درصد وزنی 5% و 5 دقیقه با آب DI تمیز شدند و سپس درمعرض هوا خشک شدند. تحت ولتاژ ثابت به مدت 1 ساعت درالکترولیت H2SO4 با درصد وزنی 15% درحالت هم زن آندیزاسیون انجام شد. با استفاده از حمام آب با دمای ثابت ، درجه حرارت در 25 سانتیگراد حفظ شد. طی فرآیند آندیزاسیون کاتد دوبل، آلیاژ آلومینیوم آند و صفحات سربی Pb کاتد بودند. صفحات آندیک و کاتدیک 2,5 cm از هم فاصله داشتند. پس از آندیزاسیون نمونه های آلیاژ آلومینیوم درداخل اسید میرستیک گداخته - نقطه ذوب - 54/4 دردمای 70 سانتیگراد به مدت 30 دقیقه و سپس دردمای 70 به مدت 2 دقیقه دراتانول خالص غوطه ور شده و به مدت 5 دقیقه برای رفع اسیدهای اضافی با آب دی یونیزه پاکسازی شدند. درآخر سطوح آلیاژ آلومینیوم بدست آمده به مدت 1 ساعت دراجاق با دمای 80 خشک شدند.
- 3-2 مشخصات سطوح
CA و SA با سیستم اندازه گیری زاویه تماس و تحت دمای محیط اندازه گیری شد. کلیه سنجش ها در5 وضعیت برای هرنمونه با چکاندن آب دی یونیزه 4µL اجرا شد. شکل ظاهری سطح نمونه ها با میکروسکوپ الکترونی اسکن نشر میدانی رصد گردید . از طیف اشعه ایکس پراکنده انرژی برای آنالیز ترکیب و از میکروسکوپ اتمی برای زبری سطوح استفاده شد. ناحیه اسکن AFM برابر20µm ×20µm بود. برای بررسی مقاومت دربرابر خوردگی از شیوه منحنی های پلاریزاسیون پتانسیل دینامیک درمحلول Nacl با درصد وزنی - PH=6 - 3,5% دردمای محیط بررسی شد. ناحیه کار دردسترس1 WEسانتی مترمربع بود. این نمونه به مدت 1ساعت در محلول Nacl با درصد وزنی 3,5 غوطه ور گردید تا قبل از تست خوردگی به پتانسیل چرخه باز ثابت - OCP - برسد.
- 3 نتایج و بحث
- 1-3 بهینه سازی ولتاژ آندیزاسیون برای تولید SCSS
رابطه میان CA و ولتاژ آندیزاسیون درشکل 1a نشان داده شده است. روشن است که CA با ولتاژ آندیزاسیون افزایش می یابد. سطح آلیاژ آلومینیوم که با اسید میرستیک گداخته اما فاقد آندیزاسیون تغییر کرده بود دارای CA به مقدار 106/5 0/4 بود . تحت ولتاژ 10V و12 Vمیزان CA به 123/8 ±2/2 و 127/2 ± 0/9 افزایش یافت و با رسیدن به ولتاژ14V از سرعت افزایش کاسته شد. با اینحال با ولتاژ آندیزاسیون 16V و با SA به مقدار 5/7 ± 0/2 برمیزان CA به میزان قابل ملاحظه ای افزوده شد - - 155/6±1 شکل .1b روشن است که ولتاژ
