ساخت سطوح اَبَرآب‌گُریز مس با ایجاد میکرو نانو ساختار به روش الکتروشیمیایی و پوشش‌دهی با لایه‌ی آب‌گریزکننده

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

2 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

3 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

4 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

چکیده

سطوح ابرآب‌گریز کاربردهای گسترده­ای نظیر بهبود انتقال گرما، کاهش خوردگی سطح و کاهش نیروی پسا دارند. در این تحقیق با یک فرایند الکتروشیمیایی درون الکترولیت دو جزئی آبی پتاسیم پرسولفات و سدیم هیدروکسید، ساختار‌‌های میکرو/ نانو بر روی فلز مس ایجاد شده و برای کاهش انرژی سطحی از پوشش اکتا‌دکان‌تیول استفاده شده است. در ادامه اثر پارامترهایی نظیر زمان فرآیند و غلظت اجزاء الکترولیت بر بهبود زاویه تماس بررسی شده است. برای بررسی میکرو/نانو ساختارهای ایجاد شده، عکس میکروسکوپ الکترونی روبشی در شرایط مختلف فرآیند تهیه و بررسی شده است. همچنین با انجام آنالیز پراش اشعه X، مشخص شد که ساختارهای به وجود آمده بر روی سطح از جنس اکسید مس(I)  است. بیشترین زاویه تماس در ۱۰ دقیقه فرایند الکتروشیمیایی و پوشش‌دهی ۲۴ ساعته با ماده انرژی سطحی پایین به میزان 8/158 درجه به دست آمد. میزان پایداری سطوح در برابر هوا، آب خالص و آب دریا بررسی شده و نمونه‌‌ها در مجاورت هوا در طی ۶ هفته، خاصیت ابرآب‌گریزی خود را حفظ کرده و پایداری خوبی در برابر آب و آب دریا نشان دادند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]     Daniello RJ., Waterhouse NE., and Rothstein JP., Drag reduction in turbulent flows over superhydrophobic surfaces, Physics of Fluids, Vol. 21 , No.8, pp. 085103, 2009.
[2]     Talesh Bahrami HR., and Saffari H., Theoretical study of stable dropwise condensation on an inclined micro/nano-structured tube, International Journal of Refrigeration, Vol. 75 , No.Supplement C, pp. 141–154, 2017.
[3]     Ruan M., Li W., Wang B., Deng B., Ma F., and Yu Z., Preparation and anti-icing behavior of superhydrophobic surfaces on aluminum alloy substrates, Langmuir, Vol. 29 , No.27, pp. 8482–8491, 2013.
[4]     Barthlott W., and Neinhuis C., Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces, Planta, Vol. 202 , No.1, pp. 1–8, 1997.
[5]     Cassie ABD., and Baxter S., Wettability of porous surfaces, Transactions of the Faraday society, Vol. 40 pp. 546–551, 1944.
[6]     Rao AV., Latthe SS., Mahadik SA., and Kappenstein C., Mechanically stable and corrosion resistant superhydrophobic sol–gel coatings on copper substrate, Applied Surface Science, Vol. 257 , No.13, pp. 5772–5776, 2011.
[7]     Xiu Y., Liu Y., Hess DW., and Wong CP., Mechanically robust superhydrophobicity on hierarchically structured Si surfaces, Nanotechnology, Vol. 21 , No.15, pp. 155705, 2010.
[8]     Hozumi A., and Takai O., Preparation of ultra water-repellent films by microwave plasma-enhanced CVD, Thin Solid Films, Vol. 303 , No.1–2, pp. 222–225, 1997.
[9]     Ji J., Fu J., and Shen J., Fabrication of a superhydrophobic surface from the amplified exponential growth of a multilayer, Advanced Materials, Vol. 18 , No.11, pp. 1441–1444, 2006.
[10]  Qian B., and Shen Z., Fabrication of superhydrophobic surfaces by dislocation-selective chemical etching on aluminum, copper, and zinc substrates, Langmuir, Vol. 21 , No.20, pp. 9007–9009, 2005.
[11]  Enright R., Miljkovic N., Dou N., Nam Y., and Wang EN., Condensation on superhydrophobic copper oxide nanostructures, Journal of Heat Transfer, Vol. 135 , No.9, pp. 091304, 2013.
[12]  Shiu J-Y., Kuo C-W., Chen P., and Mou C-Y., Fabrication of tunable superhydrophobic surfaces by nanosphere lithography, Chemistry of materials, Vol. 16 , No.4, pp. 561–564, 2004.
[13]  Qu M., Zhang B., Song S., Chen L., Zhang J., and Cao X., Fabrication of Superhydrophobic Surfaces on Engineering Materials by a Solution-Immersion Process, Advanced Functional Materials, Vol. 17 , No.4, pp. 593–596, 2007.
[14]  Talesh Bahrami HR., Ahmadi B., and Saffari H., Optimal condition for fabricating superhydrophobic copper surfaces with controlled oxidation and modification processes, Materials Letters, Vol. 189 , No.Supplement C, pp. 62–65, 2017.
]15[ نوری  ن. م.، شمسی م.، و سعات بخش م.، پوشش دهی ذرات آلومینویم پولکی و به کارگیری این ذرات در تولید سطوح فوق آب گریز، مهندسی مکانیک مدرس، د. 16، ش. 4، ص 296-289، 1395.
]16[ احمدی ب.، طالش بهرامی ح. ر.، و صفاری ح.، ساخت سطوح اَبَرآب گریز مس با استفاده از فرایند حکاکی تر و ایجاد میکرو-نانو ساختار، مهندسی مکانیک مدرس، د. 16، ش. 5، ص. 395-389، 1395.
 [17]              Wu R., Liang S., Liu J., Pan A., Yu Y., and Tang Y., Fabrication of the micro/nano-structure superhydrophobic surface on aluminum alloy by sulfuric acid anodizing and polypropylene coating, Journal of nanoscience and nanotechnology, Vol. 13 , No.3, pp. 2362–2368, 2013.
[18]  Saffari H., Sohrabi B., Noori MR., and Talesh Bahrami HR., Optimal condition for fabricating superhydrophobic Aluminum surfaces with controlled anodizing processes, Applied Surface Science, 2017.
[19]  Hang T., Hu A., Ling H., Li M., and Mao D., Super-hydrophobic nickel films with micro-nano hierarchical structure prepared by electrodeposition, Applied Surface Science, Vol. 256 , No.8, pp. 2400–2404, 2010.
[20]  Song J., Xu W., Liu X., Lu Y., and Sun J., Electrochemical machining of super-hydrophobic Al surfaces and effect of processing parameters on wettability, Applied Physics A, Vol. 108 , No.3, pp. 559–568, 2012.
[21]  Xi J., Feng L., and Jiang L., A general approach for fabrication of superhydrophobic and superamphiphobic surfaces, Applied Physics Letters, Vol. 92 , No.5, pp. 053102, 2008.
[22]  Ren H-X., Huang X-J., Yarimaga O., Choi Y-K., and Gu N., A cauliflower-like gold structure for superhydrophobicity, Journal of colloid and interface science, Vol. 334 , No.1, pp. 103–107, 2009.
[23]  Wang H., Yu J., Wu Y., Shao W., and Xu X., A facile two-step approach to prepare superhydrophobic surfaces on copper substrates, Journal of Materials Chemistry A, Vol. 2 , No.14, pp. 5010–5017, 2014.
[24]  ImageJ. [online]. Available: https://imagej.nih.gov/ij/. [cited: 07-Dec-2017]
[25]  Xi W., Qiao Z., Zhu C., Jia A., and Li M., The preparation of lotus-like super-hydrophobic copper surfaces by electroplating, Applied surface science, Vol. 255 , No.9, pp. 4836–4839, 2009.
[26]  He B., Patankar NA., and Lee J., Multiple equilibrium droplet shapes and design criterion for rough hydrophobic surfaces, Langmuir, Vol. 19 , No.12, pp. 4999–5003, 2003.
[27]  Lee SM., Jung ID., and Ko JS., The effect of the surface wettability of nanoprotrusions formed on network-type microstructures, Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 18 , No.12, pp. 125007, 2008.
[28]  Pan Q., Jin H., and Wang H., Fabrication of superhydrophobic surfaces on interconnected Cu (OH) 2 nanowires via solution-immersion, Nanotechnology, Vol. 18 , No.35, pp. 355605, 2007.
[29]  Cudennec Y., and Lecerf A., The transformation of Cu(OH)2 into CuO, revisited, Solid State Sciences, Vol. 5 , No.11, pp. 1471–1474, 2003.
[30]  Yao G., Zhang M., Lv J., Xu K., Shi S., Gong Z., Tao J., Jiang X., Yang L., and Cheng Y., Effects of electrodeposition electrolyte concentration on microstructure, optical properties and wettability of ZnO nanorods, Journal of The Electrochemical Society, Vol. 162 , No.7, pp. D300–D304, 2015.
[31]  Xu W., Song J., Sun J., Dou Q., and Fan X., Fabrication of superhydrophobic surfaces on aluminum substrates using NaNO3 electrolytes, Journal of materials science, Vol. 46 , No.18, pp. 5925, 2011.
[32]  He G., Lu S., Xu W., Szunerits S., Boukherroub R., and Zhang H., Controllable growth of durable superhydrophobic coatings on a copper substrate via electrodeposition, Physical Chemistry Chemical Physics, Vol. 17 , No.16, pp. 10871–10880, 2015.
[33]  Sun J., Zhang F., Song J., Wang L., Qu Q., Lu Y., and Parkin I., Electrochemical fabrication of superhydrophobic Zn surfaces, Applied Surface Science, Vol. 315 pp. 346–352, 2014.
[34]  Mandke MV., and Pathan HM., Electrochemical growth of copper nanoparticles: Structural and optical properties, Journal of Electroanalytical Chemistry, Vol. 686 pp. 19–24, 2012.
[35]  Zhao M., Cheng Y., Lv J., Zhang Y., Zhu W., He G., Zhang M., Chen X., and Sun Z., Effect of solution concentration on surface morphology, optical properties and solar light response of ZnO thin films, Journal of Materials Science: Materials in Electronics, Vol. 28 , No.3, pp. 2731–2738, 2017.
[36]  Das AK., Kilty HP., Marto PJ., Andeen GB., and Kumar A., The Use of an Organic Self-Assembled Monolayer Coating to Promote Dropwise Condensation of Steam on Horizontal Tubes, Journal of Heat Transfer, Vol. 122 , No.2, pp. 278–286, 1999.
[37]  Sung MM., Sung K., Kim CG., Lee SS., and Kim Y., Self-assembled monolayers of alkanethiols on oxidized copper surfaces, The Journal of Physical Chemistry B, Vol. 104 , No.10, pp. 2273–2277, 2000.
[38]  Chen L., Liang S., Yan R., Cheng Y., Huai X., and Chen S., n-Octadecanethiol self-assembled monolayer coating with microscopic roughness for dropwise condensation of steam, Journal of Thermal Science, Vol. 18 , No.2, pp. 160–165, 2009.
[39]  Lee J., and Yong K., Surface chemistry controlled superhydrophobic stability of W 18 O 49 nanowire arrays submerged underwater, Journal of Materials Chemistry, Vol. 22 , No.38, pp. 20250–20256, 2012.
[40]  Yin Y., Liu T., Chen S., Liu T., and Cheng S., Structure stability and corrosion inhibition of super-hydrophobic film on aluminum in seawater, Applied Surface Science, Vol. 255 , No.5, pp. 2978–2984, 2008.