تاثیر غلظت الکترولیت آمونیم فلوراید در فرایند آندایزینگ تیتانیم بر زبری میکرو- نانومقیاس سطح به منظور دستیابی به خاصیت ابرآبگریزی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی و علم مواد، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران.

چکیده

در این پژوهش، برای ایجاد سطوح ابرآبگریز؛ سطوح با زاویه تماس بیش‌تر از °۱۵۰ از طریق دستیابی به زبری سلسله مراتبی (زبری میکرو-نانو مقیاس)؛ در تیتانیم از فرایند آندایزینگ استفاده شده و اثر تغییر غلظت الکترولیت بر ریزساختار سطح مورد بررسی قرار گرفته است. در نمونه ­های آندایز شده که با اعمال اسید استئاریک انرژی سطحی کم را بدست آورده­ اند، با تغییر غلظت آمونیم فلوراید از 01/0 تا 1 مولار، زاویه ترشوندگی متفاوتی از 126 تا 154 درجه حاصل شد. نتایج بررسی­ها با میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان داد که در نمونه ساخته شده در غلظت­های کم آمونیوم فلوراید، ساختارهایی به شکل مخروط درخت کاج بر سطح رشد کرده ­اند که با ابعادی در مقیاس میکرومتری و متشکل از ساختار نانوورقه ­ای هستند و ابعاد این مخروط­ها با افزایش غلظت آمونیم فلوراید به 0/5 مولار کاهش و تعداد آن­ها در واحد سطح افزایش می­ یابد و افزون براین، ساختار نانومتخلخل بدست آمده که در این نمونه حالت ابرآبگریزی به دست آمده است. با افزایش بیشتر غلظت آمونیم فلوراید به 1 مولار، ساختارهای مخروط­کاجی شکل دیده نمی­شود و سطح لایه اکسیدی حاصل از آندایزینگ به صورت سطحی صاف و نانومتخلخل دیده می­ شود که این موضوع منجر به دستیابی به زاویه ترشوندگی 140 درجه شده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

s

چکیده [English]

A In this study, to create superhydrophobic surfaces on titanium; surfaces with contact angles higher than 150 ° by achieving hierarchical roughness (micro-nanoscale roughness); the anodizing process has been used and the effect of changing the electrolyte concentration on the surface microstructure is investigated. In anodized samples, which obtained the low surface energy by applying stearic acid, a different wetting angle of 126 to 154 degrees was obtained by changing the concentration of ammonium fluoride from 0.01 to 1 M. The results of scanning electron microscopy showed that Pine cone-shaped structures had grown on the surface with micrometer-scale dimensions consisting of a nanoflake structure in the sample made at low concentrations of ammonium fluoride. The dimensions of these Pine cones decrease with increasing the concentration of ammonium fluoride to 0.5 M and the number of them increases per unit area. In addition, the nanoporous structure is obtained, which resulted in the superhydrophobicity in this sample. By further increasing the concentration of ammonium fluoride to 1 M, the Pine cones structure are vanished and the surface of the oxide layer resulting from anodizing is seen as a smooth and nanoporous surface, which has led to a wetting angle of 140 degrees.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Superhydrophobicity
  • titanium
  • Anodizing
  • Ammonium fluoride
  • Micro-nanoscale roughness
[1] S. H. Kim, “Fabrication of superhydrophobic surfaces,” Journal of adhesion science and technology, 22, 235-250, 2008.
[2] P. Cully, F. Karasu, L. Müller, T. Jauzein, Y. Leterrier, “Self-cleaning and wear-resistant polymer nanocomposite surfaces,” Surface and Coatings Technology, 348, 111-120, 2018.
[3] Z. Zhang, B. Ge, X. Men, Y. Li, “Mechanically durable, superhydrophobic coatings prepared by dual-layer method for anti-corrosion and self-cleaning,” Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 490, 182-188, 2016.
[4] E. Vazirinasab, R. Jafari, G. Momen, “Application of superhydrophobic coatings as a corrosion barrier: A review,” Surface and Coatings Technology, 341, 40-56, 2018.
[5]        B.j. Li, H. Li, L.j. Huang, N.-f. Ren and X. Kong, “Femtosecond pulsed laser textured titanium surfaces with stable superhydrophilicity and superhydrophobicity,” Applied Surface Science, 389, 585-593, 2016.
[6]        S. Moradi, S. Kamal, P. Englezos and S. G. Hatzikiriakos, “Femtosecond laser irradiation of metallic surfaces: effects of laser parameters on superhydrophobicity,” Nanotechnology, 24, 415302-415309, 2013.
[7]        A.S.D. Al-Radha, “The influence of different acids etch on dental implants titanium surface,” IOSR J Dental and Medical Sciences (IOSR-JDMS), 15, 87-91, 2016.
[8]        X. Gao, W. Tong, X. Ouyang and X. Wang, “Facile fabrication of a superhydrophobic titanium surface with mechanical durability by chemical etching,” RSC Advances, 5, 84666-84672, 2015.
[9]        K.-Y. Hung, Y.-C. Lin and H.-P. Feng, “The Effects of acid etching on the nanomorphological surface characteristics and activation energy of titanium medical materials,” Materials, 10, 1164-1171, 2017.
[10]      L. Nádai, B. Katona, A. Terdik and E. Bognár, “Chemical etching of titanium samples,” Periodica Polytechnica Mechanical Engineering, 57, 53-57, 2013.
[11]      Z. Liu, “Surface Treatment of Titanium and its Alloys for Adhesion Promotion,” Doctor of Philosophy in the Faculty of Engineering and Physical Sciences Engineering and Physical Sciences University of Manchester University of Manchester 2015.
[12]      S. Sobieszczyk,“Self-organized nanotubular oxide layers on Ti and Ti alloys,” Advances in Materials Sciences, 9, 25-41, 2009.
[13]      P. Roy, S. Berger and P. Schmuki, “TiO2 nanotubes: synthesis and applications,” Angewandte Chemie International Edition, 50, 2904-2939, 2011.
[14]      X. Zhou, S. Yu, J. Zang, Z. Lv, E. Liu and Y. Zhao, “Colorful nanostructured TiO2 film with superhydrophobic–superhydrophilic switchable wettability and anti-fouling property,” Journal of Alloys and Compounds, 798, 257-266, 2019.
[15]      N.J. Suliali, C.M. Mbulanga, W.E. Goosen, R. Betz, J.R. Botha, “Numerical modelling of anodization reaction kinetics for TiO2 nanotubular-film growth in NH4F-based electrolytes,” Electrochimica Acta, 337, 135791-135798, 2020.
[16] M. Alijani, H. Sopha, S. Ng, J.M. Macak, “High aspect ratio TiO2 nanotube layers obtained in a very short anodization time,” Electrochimica Acta, 376, 138080-138087, 2021.
[17]      Y. Liu, Y. Zhang, L. Wang, G. Yang, F. Shen, S. Deng, et al., “Fast and large-scale anodizing synthesis of pine-cone TiO2 for solar-driven photocatalysis,” Catalysts, 7, 229-237, 2017.