Применение гидрофобных и супергидрофобных покрытий для защиты от коррозии

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Применение гидрофобных и супергидрофобных покрытий для защиты от коррозии

Л.Д. Родионова

В.А. Брыксина

Аннотация

Проведен обзор представленных в российских и зарубежных научных изданиях способов формирования и возможности применения гидрофобных и супергидрофобных материалов и покрытий для защиты металлов и их сплавов от коррозионных разрушений.

Ключевые слова: гидрофобные покрытия; коррозия; супергидрофобное покрытие; смачивание; краевой угол; антикоррозионные свойства

Введение

В настоящее время как в нашей стране, так и во многих других странах мира ведется разработка гидрофобных покрытий и материалов. Интерес к подобным материалам и покрытиям обусловлен их уникальными функциональными свойствами. В частности, к ним относятся водонепроницаемость, стойкость к коррозии, устойчивость к биообрастанию и т д. [1-2].

Наличие такого многообразия функциональных характеристик приводит к активному изучению и разработке подобных покрытий и материалов для решения существующих проблем и применения в различных областях деятельности человека.

Основная часть

Гидрофобные поверхности характеризуются углом смачивания более 90°. Наибольший интерес представляют супергидрофобные покрытия и материалы, которые являются частным случаем гидрофобности и имеют краевые углы смачивания 0 > 150° и низкий гистерезис 1-3° (рис. 1) [2].

0 < 90“90°< 0 < 150°> 150°

Рис. 1. Капля жидкости на поверхности твердого тела. a - гидрофильность; b - гидрофобность; c - супергидрофобность

Гидрофобные покрытия находят широкое применение в разных сферах деятельности человека. Гидрофобизацию поверхности различных материалов применяют для улучшения их эффективности применения и эксплуатационных характеристик.

Изучение способов создания и возможности применения гидрофобных и супергидрофобных материалов и покрытий для защиты металлов и их сплавов от коррозионных разрушений ведется как в России, так и в зарубежных странах. Результаты представлены в различных научных изданиях.

Целью данной работы является анализ научной литературы по теме создания и применения гидрофобных покрытий для защиты металлов от коррозии в агрессивных средах.

Масштабная и длительная эксплуатация алюминиевого сплава 5083 в морской воде и промышленной среде имеет такие последствия, как локализованная коррозия, загрязнение поверхности и др. Авторы работы [3] для защиты поверхности алюминиевого сплава AA5083 формировали гидрофобное покрытие. Сначала поверхность сплава подвергалась травлению, а затем обработке гидрофобным агентом, в качестве которого использовали гексадецилтриметоксисилан. Были проведены исследования смачиваемости, эффекта самоочищения, коррозионные испытания и испытания на долговечность покрытия. В результате исследований были получены краевые углы смачивания 156° ± 1 (рис. 2). Покрытия продемонстрировали высокую способность к самоочищению, коррозионную стойкость и долговечность.

Рис. 2. (а-с) - текстуры поверхности; d - краевые углы алюминиевого сплава без покрытия и с супергидрофобным покрытием [3]

В работе [4] в качестве обрабатываемого металла использован сплав алюминия АМг3. Образцы обрабатывали наждачной бумагой, затем проводили плазменное электролитическое оксидирование. Для формирования гидрофобной и супергидрофобной поверхности на сплаве использовали метокси-{3-[(2, 2, 3, 3, 4, 4, 5, 5, 6, 6, 7, 7, 8, 8, 8-пентадекафтороктил) окси]пропил}-силан (MAF), декан и этиловый спирт. Получены краевые углы более 160°. Схема получения покрытий представлена на рис. 3.

Образцы с покрытием показали значительную устойчивость при контакте с агрессивной средой. Авторы отмечают, что в соответствии с экспериментальными данными супергидрофобные и антикоррозионные свойства покрытий имеют существенную зависимость от подготовки поверхности. Образцы с покрытиями, полученные без кипячения и обработанные в плазме озона, по результатам проведенных испытаний показали лучшие антикоррозионные и антифрикционные свойства, а также большую стабильность по отношению к остальным образцам

Рис. 3. Схема формирования гидрофобных покрытий [4]

гидрофобный материал защита металл коррозия

В работе [5] был использован технических алюминий АД31. Для получения шероховатости на поверхности образцы подвергали травлению в растворе №ОН. Затем подвергали обработке в этанольных растворах стеариновой кислоты и/или триалкоксисиланов в разных концентрациях и соотношениях для придания поверхности гидрофобных свойств. После обработки образцы сушили. По итогу работы авторы получили результаты: послойная обработка поверхности смесью гидрофобных агентов является наиболее эффективным методом модификации поверхности, так как при подобной модификации получаются наибольшие краевые углы (157-160°) в силу своей большей устойчивости к коррозионным разрушениям в атмосфере камеры солевого тумана (КСТ). Максимальное время появления коррозионного поражения составило 80 ч.

В статье [6] описан метод модифицирования поверхности алюминия для придания супергидрофобности и коррозионной стойкости с помощью травления алюминия в соляной кислоте и дальнейшей обработки стеариновой кислотой в смеси диметилформамид/вода. Смачивающие свойства и коррозионная стойкость поверхностей контролировались настраиваемым объемным отношением ДМФА к воде. С увеличением содержания ДМФА и уменьшением содержания воды краевой угол увеличивается, а угол скатывания воды уменьшается. В чистом NN диметилформамид получен угол 167,3°. При этом угол скатывания воды 1,5°. Ток коррозии модифицированных образцов алюминия снижается меньше, чем для необработанных, при этом потенциал коррозии сдвигается в сторону более благородных значений даже после погружения в агрессивный раствор N0 на 48 ч. Эти результаты обусловлены сочетанием низкой поверхностной свободной энергии стеариновой кислоты и шероховатости поверхности.

В работе [7] в качестве исходного материала был использован сплав алюминия АА6061. Образцы подвергали химическому травлению с использованием 1М NОН в ультразвуковой ванне с последующей пассивацией с использованием 0,01 М этанольного раствора стеариновой кислоты. Были получены краевые углы более 150°. Авторы отмечают, что полученные супергидрофобные поверхности обладают превосходными антикоррозийными свойствами.

Авторы работы [8] исследовали возможность использования гидрофобных покрытий для защиты от коррозии алюминиевого сплава 1163-Т системы Al-Cu-Mg-Mn с химически-оксидными и анодно-оксидными покрытиями, используемого в топливных системах. Для создания гидрофобной поверхности на сплаве были использованы Фоборит Р с кремнийорганическим связующим, Фторопласт Ф32 и Пента 804. Наибольшую величину краевого угла показало покрытие, созданное с помощью Фоборит Р с кремнийорганическим связующим на сплаве с химически-оксидным покрытием более 120°. Коррозионные испытания проводили в КСТ, лучшие защитные свойства проявил Фоборит Р. С химически- оксидным покрытием коррозионные поражения отсутствуют через 288 ч, с анодно-оксидным - 1440 ч. Также авторами были проведены гравиметрические исследования полученных гидрофобных покрытий в среде топлива при 80 °С в течение 100 ч. Сплав с химически-оксидным и анодно-оксидным покрытиями показал незначительные потери (0,010,05 г/м²) со всеми гидрофобизирующими агентами, что удовлетворяет требованиям отрасли (<0,1 г/м²).

В работе [9] изучалась разработка покрытий на основе сополимеров на основе полифениленэтилена (ПФМ), содержащих н-октилокси боковые цепи, и их антикоррозионные свойства. Авторы в качестве подложки использовали сплав алюминия AA2024, на который наносили слой полибензилсилоксана для лучшей адгезии гидрофобного агента и поверхности образца. Электрохимические испытания на коррозионную стойкость полученных покрытий показали хорошую защиту от коррозии металлической поверхности по отношению к естественно аэрируемому нейтральному раствору NaCl с концентрацией 3,5 масс.%. Полифенилен-этилен является ценным полимером для исследований в области антикоррозионных покрытий из-за его термической стабильности, гидрофобности и флуоресценции. Последнее облегчает оптическое обнаружение неоднородностей, трещин и других дефектов при наблюдении в УФ- свете (рис. 4). Однако полифениленэтилен необходимо использовать с добавками, такими как пластификаторы или полисилоксаны, для обеспечения возможности обработки поверхностей покрытия без трещин.

Рис. 4. Покрытия на АА2024. (а) Поверхность, покрытая сополимером ПФМ, содержащим 13,4 % боковых цепей 4-октилокси. (b) Поверхность, покрытая сополимером ПФМ, содержащим 6,1% боковых цепей 4-октилокси [9]

Авторы работы [10] исследовали гидрофобные покрытия, сформированные на оцинкованной стали 20 хр (хроматированной), которая используется в топливных системах. Для создания гидрофобной поверхности были использованы следующие гидрофобные агенты Фоборит Р с кремнийорганическим связующим, Фторопласт Ф32 и Пента 804. Покрытие, созданное с помощью Фоборит Р, показало наибольшее значение угла смачивания (146° ± 4°). Гравиметрические испытания сформированных покрытий показали, что потеря массы находится в пределах нормы (<0,1 г/м²). Испытания, проведенные в КСТ, выявили что на образцах с покрытиями, созданными с помощью Пента 804 и Фторопласта Ф32, коррозионные поражения появляются через 336 ч, а на покрытиях, созданных с помощью Фоборит Р, через 360 ч коррозионные поражения отсутствуют. Таким образом, покрытие на основе Фоборит Р со связующим имеет высокую стойкость к действию авиационного топлива без потери гидрофобности и обладает наилучшими свойствами.

В работе [11] авторы представили новый недорогой процесс подготовки супергидрофобного покрытия Co-Ni на подложке из углеродистой стали с помощью метода электроосаждения. Осажденное покрытие CoNi с микронаноструктурами после модификации перфтороктилтрихлор- силаном проявляет высокие супергидрофобные свойства с краевыми углами более 161°. По оценке супергидрофобное покрытие может сохранять супергидрофобность на расстоянии 12 м под давлением 5 кПа, что объясняется высоким содержанием кобальта в покрытии. Кроме того, электрохимические испытания показали, что полученные защитные покрытия демонстрируют хорошие антикоррозионные свойства и обеспечивают защиту подложек из углеродистой стали.

В исследовании [12] авторы использовали пластины из технически чистого титана ВТ1-0, на которых формировали ПЭО-слои в фосфатном электролите. Затем их обрабатывали двумя методами: 1 - погружением образца в раствор гидрофобного агента и 2 - путем осаждения смачивающей пленки суспензии наночастиц аэросила в декане. В качестве гидрофобного агента использовали MAF. В первом случае покрытие характеризуется краевым углом, равным 108°, во втором - 160°. Авторы отмечают, что в соответствии с результатами измерения поляризационных кривых наличие ПЭО-покрытия и созданных на его основе супергидрофобных и гидрофобных моносоли существенно повышают антикоррозионные свойства материала. Наилучшие антикоррозионные свойства проявило супергидрофобное покрытие.

Авторы работы [13] получали супергидрофобные покрытия на титановой подложке с предварительным анодированием или без него, затем на поверхности предварительно обработанной подложки получали слой полидопамина, осаждение наночастиц серебра и постмодификацию 1Н, 1Н, 2Н, 2Н-перфтордекантиола. Показано, что увеличение времени осаждения в растворе нитрата серебра приводит к усилению гидрофобных свойств поверхности. Поверхность, полученная в течение 7 ч, была довольно шероховатой и покрытой относительно однородным слоем микро-наночастиц серебра и проявляла оптимальный гидрофобный эффект с краевым углом 154°. Электрохимические измерения показали, что наличие супергидрофобной пленки может эффективно повысить коррозионную стойкость образцов Ті.

В работе [14] авторы использовали магниевый сплав МА8, принадлежащий к системе Mg-Mn-Ce. Покрытие формировали на ПЭО-слое раствором теломеровтетрофторэтитена. Стойкость покрытия оценивали нанесением капли соляной кислоты на поверхность. Появление первых пузырьков водорода на поверхности полученного покрытия наблюдалось через 540 с после нанесения капли, на сплаве с ПЭО-покрытием через 95 с, и на сплаве без покрытия через 0 с. Авторы отмечают, что при однократном нанесении теломера ТФЭ поверхность имеет краевой угол больше 150°, а при трехкратном - 171°, что свидетельствует о супергидрофобности полученного покрытия. Таким образом, исследованные авторами статьи покрытия на магниевом сплаве снижают токи коррозии на 2 порядка и на 3 порядка снижают износ.

В работе [15] был использован магниевый сплав МА8, подвергнутый плазменному электролитическому оксидированию в силикатно- фторидном электролите. Затем на полученный ПЭО слой послойно наносили гидрофобный агент и повергали термической обработке. При однократном нанесении ГФ агента поверхность имела краевой угол 156°, при двукратном - 169°, а при трехкратном - 171°. После каждой обработки раствором гидрофобного агента снижаются токи свободной коррозии, возрастает поляризационное сопротивление, что положительно сказывается на защитных свойствах покрытия.

Заключение

В данной статье были рассмотрены представленные в российских и зарубежных научных журналах способы получения гидрофобных и супергидрофобных покрытий для защиты различных металлов и их сплавов от коррозионных разрушений.

Интерес к таким поверхностям обусловлен их функциональными характеристиками, благодаря которым гидрофобные материалы и покрытия находят применение во многих областях человеческой деятельности.

Хотя супергидрофобные поверхности имеют большие перспективы применения в промышленности, стоимость их подготовки и механическая прочность ограничивают их практическое использование.

Список литературы

1. Бойнович Л.Б., Емельяненко А.М. Гидрофобные материалы и покрытия: принципы создания, свойства и применение // Успехи химии. 2008. Т. 77. №7. С. 619-638.

2. Бойнович Л.Б. Супергидрофобные покрытия - новый класс полифункциональных материалов // Вестник РАН. 2013. Т. 8. №1. С. 10-22.

3. Zhang B., Xu W., Zhu Q. et al. Lotus-Inspired Multiscale Superhydrophobic AA5083 Resisting Surface Contamination and Marine Corrosion Attack // Materials. 2019. Vol. 12 (10). 13 p.

4. Гнеденков C.B., Егоркин В.С., Синебрюхов С.Л., Вялый И.Е., Емельяненко А.М., Бойнович Л.Б. Супергидрофобные защитные покрытия на сплаве алюминия // Вестник ДВО РАН. 2014. №2 (174). С. 52-61.

5. Кузнецов Ю.И., Семилетов А.М., Чиркунов А.А., Архипушкин И.А., Казанский Л.П., Андреева Н.П. Гидрофобизация поверхности алюминия стеариновой кислотой и триалкоксисиланами для защиты от атмосферной коррозии // Журнал физической химии. 2018. Т. 92. №4. С. 512-521.

6. Zang D., Zhu R., Zhang W. et al. Stearic acid modified aluminum surfaces with controlled wetting properties and corrosion resistance // Corrosion Science. 2014. Vol. 83. P. 86-93.

7. Huang Y., Sarkar D.K., Chen X.G. Superhydrophobic aluminum alloy surfaces prepared by chemical etching process and their corrosion resistance properties // Applied Surface Science. 2015. Vol. 356. P. 1012-1024.

8. Миков Д.А., Кутырев А.Е., Петрова В.А. Гидрофобизирующие составы для дополнительной защиты алюминиевых сплавов в топливных системах изделий авиатехники // Труды ВИАМ. 2015. №9. С. 66-72.

9. D 'Elia M.F., Magni M., Trasatti S.P.M. et al. Poly (phenylene methylene)-Based Coatings for Corrosion Protection: Replacement of Additives by Use of Copolymers // Applied Science. 2019. Vol. 9 (17). 14 p.

10. Кравченко Н.Г., Петрова В.А., Миков Д.А. Гидрофобизирующие средства для дополнительной защиты конструкционных материалов из углеродистой стали в топливных системах авиатехники // Труды ВИАМ. 2016. №5 (41). С. 84-91.

11. Xue Y., Wang S., Bi P. et al. Super-Hydrophobic Co-Ni Coating with High Abrasion Resistance Prepared by Electrodeposition // Coatings. 2019. Vol. 9 (4). 14 p.

12. Гнеденков C.B., Синебрюхов С.Л., Егоркин В.С., Машталяр Д.В., Емельяненко А.М., Алпысбаева Д.А., Бойнович Л.Б. Особенности протекания электрохимических процессов при контакте раствора хлорида натрия с поверхностью супергидрофобных покрытий на титане // Электрохимия. 2012. Т. 48. №3. С. 369-379.

13. Zhu M., Tang W., Huang L. et al. Preparation of Superhydrophobic Film on Ti Substrate and Its Anticorrosion Property // Materials. 2017. Vol. 10 (6). P. 628638.

14. Гнеденков С.В., Синебрюхов С.Л., Машталяр Д.В., Надараиа К.В., Кирюхин Д.П., Бузник В.М., Кичигина Г.А., Кущ П.П. Композиционные покрытия, формируемые использованием плазменного электролитического оксидирования из теломерных растворов тетрафторэтилена // Журнал неорганической химии. 2015. Т. 60. №8. С. 1075-1087.

15. Гнеденков С.В., Синебрюхов С.Л., Машталяр Д.В., Надараиа К.В., Кирюхин Д.П., Бузник В.М., Кичигина Г.А., Кущ П.П. Электрохимические и гидрофобные свойства композиционных ПЭО-покрытий, формируемых с использованием теломерного раствора ТФЭ // Вестник ДВО РАН. 2015. №4 (182). С. 20-27.

Размещено на allbest.ru