Плазма

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 255 (2023) Цитировать эту статью

1295 Доступов

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Эта работа демонстрирует новый путь к прямому изготовлению супергидрофобного поверхностного покрытия на мягкой стали. Покрытие было сформировано с использованием плазмы диэлектрического барьерного разряда (DBD) для преобразования жидкого низкомолекулярного предшественника (1,2,4-трихлорбензола) в твердую пленку посредством плазменной полимеризации на поверхности. Плазменная обработка проводилась в атмосфере азота с различными уровнями мощности и продолжительностью. Образцы анализировались методами оптической и сканирующей электронной микроскопии (SEM), энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS), времяпролетной масс-спектрометрии вторичных ионов (ToF-SIMS), рамановской спектроскопии, оптической профилометрии, измерения угла смачивания и потенциодинамические поляризационные тесты. Смачиваемость пленок варьировалась в зависимости от параметров плазмы, а также за счет включения нанопластинок графена в прекурсор. Воздействие высоких доз плазмы предшественника, содержащего нан тромбоциты, привело к созданию супергидрофобных пленок с углами контакта с водой более 150 °. Потенциодинамические поляризационные испытания показали, что супергидрофобное покрытие обеспечивает недостаточную защиту от коррозии или вообще ее не обеспечивает.

Супергидрофобные поверхности представляют собой материалы с низкой поверхностной энергией, состоящие из иерархических мотивов микро- и наноструктур1,2,3,4. Современные методы изготовления супергидрофобных поверхностей включают литографию5,6,7,8, травление9,10,11,12, самосборку13,14,15, осаждение частиц16, осаждение из паровой фазы16,17, золь-гель методы18,19,20 и литье21. . Из этих различных подходов только процессы золь-гель и электроосаждения использовались для изготовления супергидрофобных покрытий на мягкой стали20,22,23, при этом многие методы ориентированы на другие подложки, такие как текстиль или кремний. Изготовление супергидрофобных покрытий поверхности может быть трудоемким и дорогостоящим, например, из-за многоэтапных процессов, длительного времени отверждения и высоких температур24,25.

Одним из важных применений супергидрофобных пленок является защита от коррозии. Коррозия металлов ложится тяжелым финансовым бременем на многие отрасли промышленности, поэтому ее смягчение представляет большой интерес26. Существует сильная предполагаемая связь между смачиваемостью поверхности и коррозией, причем супергидрофобные поверхности обычно обладают заметными антикоррозионными свойствами27,28,29,30. Супергидрофобные поверхности, углы контакта с водой которых превышают 150°, ограничивают контакт воды с поверхностью31. Обзор литературы показывает общее предположение, что по мере увеличения гидрофобности покрытия будет увеличиваться и коррозионная стойкость, которую оно обеспечивает22,27,32,33,34,35, при этом предполагается, что супергидрофобные поверхности обеспечивают надежную защиту от коррозии26,36. ,37,38,39,40. Одна из моделей основана на иерархической структуре поверхности, вызывающей образование воздушных карманов между коррозионной жидкостью и подложкой, предотвращающих нападение агрессивных ионов на подложку путем ограничения физического взаимодействия36,37,41,42,43,44,45. Однако это не всегда так, поскольку было обнаружено, что некоторые супергидрофобные пленки по-прежнему практически не обеспечивают защиту от коррозии46.

В данной работе для синтеза покрытий на мягкой стали использован метод плазменной полимеризации. Плазменный подход был выбран из-за преимуществ, которые дает этот метод, таких как масштабируемость, энергоэффективность и простая быстрая обработка при комнатной температуре и атмосферном давлении. Ранее мы показали, что плазменная обработка способствует реакции разрыва связей C–X (углерод–галоген) в 1,2,4-трихлорбензоле (TCB) в присутствии поверхности катализатора из элементарного металла47, за которой следует реакция олигомеризации или полимеризации, приводящая к к образованию прочной пленки на поверхности. Мы показали, что этот процесс работает на тонких пленках Au и Ni47, а также на объемных медных подложках48. В этой работе мы демонстрируем, что тот же процесс можно применить к мягкой стали (см. рис. 1). Мягкая сталь является важным кандидатом для антикоррозионных покрытий, поскольку она используется в широком спектре применений49, несмотря на ее внутренний недостаток, заключающийся в быстром окислении (ржавлении)50. Мы показываем, что смачиваемость пленок, которые мы изготавливаем на мягкой стали, можно изменить за счет добавления нанопластинок графена (GrNP) в суспензии. GrNP представляют собой несколько слоев углерода sp251 и по своей природе гидрофобны52. Мы исследовали влияние как различных уровней мощности плазмы, так и времени дозы для пленок, созданных с GrNP и без него, и охарактеризовали продукт с помощью оптической микроскопии и сканирующей электронной микроскопии (SEM). Смачиваемость пленки оценивали путем измерения угла смачивания, а супергидрофобную пленку подвергали коррозионным испытаниям. Испытания на потенциодинамическую поляризацию (PDP) показали, что покрытия обеспечивают незначительную защиту от коррозии или ее отсутствие вообще, несмотря на их супергидрофобность. Однако, несмотря на неспособность обеспечить защиту от коррозии, мы считаем, что супергидрофобность этих покрытий все еще может быть полезна для применения в таких областях, как защита от обледенения53.