Способ получения механически прочных супергидрофобных поверхностей на основе двуслойных гальванических покрытий с матрицами из меди и хрома Российский патент 2023 года по МПК C25D15/00 C25D5/12 C25D3/38 C25D3/06 

Изобретение относится к гальваническим способам получения многослойных покрытий, а именно к способам получения супергидрофобных покрытий, т.е. покрытий с крайне низкой смачиваемостью, контактный угол которых превышает 150 градусов. Влага на таких поверхностях собирается в капли и при малых углах наклона скатывается. Оставаясь таким образом сухими, покрытия обеспечивают защиту от коррозии и другие функциональные свойства.

Известен способ получения защитных супергидрофобных покрытий на стали включающий в себя обработку поверхности методом плазменно-электролитическим оксидирования (ПЭО) в биполярном режиме в щелочном электролите с последующим нанесением гидрофобизирующего состава на основе фторорганического соединения [Патент № 2486295 Российская Федерация, МПК C25D 11/34 (2006.01). Способ получения защитных покрытий на стали: 2012107281/02: заявл. 28.02.2012: опубл. 27.6.2013 / Гнеденков С.В., Бойнович Л.Б., Хрисанфова О.А., Синсбрюхов С.Л., Емельяненко А.М.; заявитель Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А.И. Фрумкина Российской академии наук. – 13 с.: ил. - Текст: непосредственный]. Несмотря на то, что данный способ также позволяет получать коррозионностойкое супергидрофобное покрытие, он применим только для стальных поверхностей, в то время как предлагаемый в патенте способ подходит для любых поверхностей, на которые возможно посадить подслой меди. Кроме того, затраты на оборудование и электроэнергию для 10-20 минутного плазменно-электролитического оксидирования превышают таковые у двух последовательных гальванических процессов. Также шероховатые микроструктуры, полученные при осаждении медного композита и укреплённые хромом, превосходят по прочности ажурные микроструктуры, получаемые в известном способе.

С другой стороны, известен способ формирования комбинированной супергидрофобной структуры поверхности не требующий высоких энергетических затрат [Патент № 2769107 Российская Федерация, МПК C09K 3/18 (2006.01), B05D 3/12 (2006.01), B05D 5/02 (2006.01), B05D 5/08 (2006.01), C23C 16/26 (2006.01), C01B 32/15 (2017.01), B82Y 40/00 (2011.01), B81C 1/00 (2006.01), F28F 13/04 (2006.01), СПК C09K 3/18 (2021.08), B05D 3/12 (2021.08), B05D 5/02 (2021.08), B05D 5/08 (2021.08), B05D2202/00 (2021.08), B05D2320/00 (2021.08), B05D2350/38 (2021.08), C23C 16/26 (2021.08), C01B 32/15 (2021.08), C09K 3/18 (2021.08), B82Y 40/00 (2021.08), B81C2201/01 (2021.08), B81C2201/0176 (2021.08), F28F 13/04 (2021.08), B81C 1/00047 (2021.08). Способ формирования комбинированной супергидрофобной структуры поверхности: 2021117685: заявл. 17.06.2021: опубл. 28.03.2022 / Кузма-Кичта Ю.А., Чугунков Д.В., Лавриков А.В., Иванов Н.С.; заявитель федеральное государственное бюджетноеобразовательное учреждение высшегообразования "Национальный исследовательский университет "МЭИ". – 5 с.: ил. – Текст: Непосредственный.] Для получения супергидрофобной поверхности в начале на металлической поверхности сферическими частицами продавливают микротекстуру характерным размером 70-80 мкм, затем осуществляют осаждение из газовой фазы наночастиц углерода размером от 5 до 100 нм, формируя тем самым структуру с комбинированной шероховатостью, далее полученную поверхность упрочняют с помощью пропитки 0,1% раствором синтетического каучука в ацетоне. Несмотря на то, что данный способ отличается простотой и дешевизной, он имеет серьёзные технические ограничения не позволяющие с его помощью обрабатывать сложно профилированные детали, доступные для обработки гальваническими методами. Кроме того, наночастицы закреплённые на поверхности посредством 0,1% раствора каучука менее устойчивы к механическим воздействиям, чем наночастицы закреплённые последовательными слоями меди и хрома.

Помимо гальванических способов, супергидрофобности на сложнопрофилированных деталях можно достичь с помощь нанесения эмали [Патент №2441045 Российская Федерация, МПК C09D 5/16 (2006.01), B82B 1/00 (2006.01). Способ получения супергидрофобной противообрастающей эмали с углеродным нановолокном: 2010121866/05: заявл. 31.05.2010: опубл. 27.01.2012 / Ильдарханова Ф.И., Миронова Г.А., Богословский К.Г., Кузнецов С.В., Большакова О.Л., Коптева В.В.; заявитель Открытое акционерное общество Научно-исследовательский институт лакокрасочных покрытий с опытным машиностроительным заводом "Виктория". – 2 с.: ил. – Текст: Непосредственный.] Состав эмали включает силикон эпоксидную гибридную смолу, отверждаемую аминосиланами, пигменты и наполнители, поверхностно-активное вещество, нанодисперсный оксид кремния, вспомогательные вещества - деаэратор, добавка для разлива и растворитель. Стоит сразу отметить, что подобные покрытия являются неэлектропроводящими, что может оказаться минусом при покрытии ими, например, электрических контактов. Кроме того, силикон эпоксидная смола мене устойчива к истиранию и задирам, чем покрытие медь/хром.

Несмотря на многообразие способов достижения супергидрофобности, все получаемые покрытия обладают низкой механической устойчивостью, либо из-за ажурности получаемых микроструктур, либо, в случае с композиционными покрытиями, из-за уязвимости материала матрицы.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение — это получение супергидрофобного покрытия, лишенного уязвимости к механическим воздействиям, но сохраняющего свойственные супергидрофобным покрытия защитные и функциональные свойства.

Технический результат данного изобретения – получение механически устойчивого супергидрофобного покрытия.

Технический результат достигается последовательным нанесением сначала медного композита путём его электрохимического осаждения из суспензии, содержащей CuSO₄, H₂SO₄, лаурилсульфат натрия или синтанол и нанодисперсные частицы MoS₂, затем укрепляющего слоя хрома или хромового композита с помощью электроосаждения из электролита, содержащего KCr(SO₄)₂, Al₂(SO₄)₃, Na₂C₂O₄, NaF, а в случае хромового композита дополнительно содержащего нанодисперсные частицы Cr₂O₃, далее гидрофобизирующего слоя стеариновой или лауриловой кислоты из спиртовых растворов этих кислот.

Примеры

Пример 1.

В электролите состава: CuSO₄·5H₂O 200 г/л, H₂SO₄ 40 г/л, лаурилсульфат натрия 0,5 г/л, MoS₂ 20 г/л при плотности тока 2 А/дм² осаждение ведут в течении 5 минут на медную пластину.

На полученный композит в электролите состава: KCr(SO₄)₂·12H₂O 250 г/л, Al₂(SO4)₃·18H₂O 110 г/л, Na₂C₂O₄ 40 г/л, NaF 17 г/л наносят укрепляющий слой хрома при плотности тока 100 А/дм² в течении 20 секунд.

Полученное двуслойное покрытие обрабатывается в течении 20 минут в 10 ммоль/л спиртовом растворе стеариновой кислоты и далее высушивается на воздухе.

Угол смачивания на поверхности полученного изделия составляет 164±2,5°, супергидрофобные свойства и целостность покрытия сохраняются в камере соляного тумана более 80 часов.

Также покрытие выдерживает поток воды со скоростью 5 м/с и механическое истирание с нагрузкой 5 г/см².

Пример 2.

В электролите состава: CuSO₄·5H₂O 220 г/л, H₂SO₄ 60 г/л, синтанол 0,4 г/л, MoS₂ 40 г/л при плотности тока 4 А/дм² осаждение ведут в течении 4 минут на гофрированный стальной лист, покрытый подслоем меди любым известным способом.

На полученный композит в электролите состава: KCr(SO₄)₂·12H₂O 220 г/л, Al₂(SO₄)₃·18H₂O 100 г/л, Na₂C₂O₄ 45 г/л, NaF 15 г/л, Cr₂O₃ 5 г/л наносят укрепляющий слой хромового композита при плотности тока 120 А/дм² в течении 15 секунд.

Полученное двуслойное покрытие обрабатывается в течении 20 минут в 20 ммоль/л спиртовом растворе лауриловой кислоты и далее высушивается на воздухе.

Угол смачивания на поверхности полученного изделия составляет 161±2,7°, супергидрофобные свойства и целостность покрытия сохраняются в камере соляного тумана более 60 часов.

Также покрытие выдерживает поток воды со скоростью 5 м/с и механическое истирание с нагрузкой 5 г/см².

Изобретение относится к гальваническому получению многослойных покрытий, а именно к получению супергидрофобных покрытий. Способ включает электрохимическое осаждение медного композита, электрохимическое осаждение хрома или хромового композита, обработку поверхности в спиртовом растворе стеариновой или лауриловой кислоты. Электрохимическое осаждение медного композита осуществляют из электролита, содержащего CuSO₄, H₂SO₄, лаурилсульфат натрия или синтанол и нанодисперсные частицы MoS₂. Электрохимическое осаждение хрома или хромового композита осуществляют из электролита, содержащего KCr(SO₄)₂, Al₂(SO₄)₃, Na₂C₂O₄, NaF, который для осаждения хромового композита дополнительно содержит нанодисперсные частицы Cr₂O₃. Техническим результатом изобретения является получение механически устойчивого супергидрофобного покрытия. 2 пр.

Способ получения супергидрофобного покрытия на поверхности изделия, включающий электрохимическое осаждение медного композита, электрохимическое осаждение хрома или хромового композита, обработку поверхности в спиртовом растворе стеариновой или лауриловой кислоты, при этом электрохимическое осаждение медного композита осуществляют из электролита, содержащего CuSO₄, H₂SO₄, лаурилсульфат натрия или синтанол и нанодисперсные частицы MoS₂, а электрохимическое осаждение хрома или хромового композита осуществляют из электролита, содержащего KCr(SO₄)₂, Al₂(SO₄)₃, Na₂C₂O₄, NaF, который для осаждения хромового композита дополнительно содержит нанодисперсные частицы Cr₂O₃.