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UrbanDhriti Nepal, Saewon Kang, … Hendrik HeinzWissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 1737 (2023) Diesen Artikel zitierenSuperhydrophobe (SHP) und oleophobe Aluminiumoberflächen wurden durch die Kombination eines skalierbaren chemischen Mikrotexturierungsprozesses und einer Oberflächenfunktionalisierung mit langkettigen Polyfluoralkyleinheiten hergestellt.Die Wirkung einer anodischen Schicht auf die mikrotexturierte Oberfläche wurde unter Berücksichtigung von Oberflächenmorphologie, Superhydrophobie, mechanischen Oberflächeneigenschaften und Verbesserung des Korrosionsschutzes bewertet.Die Oberflächenfunktionalisierung mit Polyfluoralkyleinheiten wurde auf zwei verschiedene Arten angegangen: (i) Pfropfen der Polyfluoralkyleinheiten und (ii) Abscheidung einer dünnen Hybridbeschichtung mit geringem Gehalt an Polyfluoralkyl enthaltender Verbindung.Es wurden Aluminiumoberflächen erreicht, die eine hohe Beständigkeit in Salzsprühumgebungen zeigen, die SHP- und oleophobe Eigenschaften mindestens bis 2016 h beibehalten.Die Anwendungen für diese Art von Oberflächen reichen von leicht zu reinigenden Oberflächen bis hin zu Anti-Icing- oder Anti-Kondensations-Funktionalitäten, die für mehrere Branchen von Interesse sein könnten.Aluminiumlegierungen werden aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften wie überlegene hochspezifische Festigkeit, bemerkenswerte elektrische Leitfähigkeit oder relativ geringes spezifisches Gewicht in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt, darunter Bauwesen, Automobil, Schifffahrt, Luftfahrt oder Haushaltsgeräte.In den letzten Jahren hat die Nachfrage nach Oberflächen mit neuen Eigenschaften wie Selbstreinigung1 oder Anti-Icing2,3, die auch eine hohe Korrosionsbeständigkeit4 aufweisen, die Forschung zu neuen Oberflächenbehandlungen mit Superhydrophobie, dh einem Wasserkontaktwinkel (WCA) von mehr als 150°, gelenkt Gleitwinkel von weniger als 5°5 und Oleophobie, dh Kontaktwinkel von mehr als 90° mit Flüssigkeiten mit niedriger Energie wie Hexadecan.Die Superhydrophobie einer Oberfläche wird sowohl durch ihre Zusammensetzung als auch durch ihre Morphologie bestimmt.Der maximale WCA von glatten Oberflächen mit niedriger Grenzflächenenergie kann kaum 110–120 ° erreichen.Daher muss die Oberfläche, um Superhydrophobie zu erreichen, chemische und morphologische Eigenschaften kombinieren, wie von vielen Autoren untersucht wurde5,6.Durch das Maßschneidern spezifischer Oberflächenrauigkeiten (Mikro-Nanotexturierung) kann die Hydrophobie einer Oberfläche mit niedriger Grenzflächenenergie weiter erhöht werden (Zustand von Cassie-Baxter bis Wenzel), was zur Superhydrophobie führt.In der Literatur wird über verschiedene Methoden berichtet, um die Oberflächenrauheit maßzuschneidern, wie z. B. mechanische Bearbeitung7, chemisches Ätzen8,9,10, elektrochemische Bearbeitung11, Lasertexturierung12 oder Eloxieren13.Die Umsetzung einiger von ihnen auf industrieller Ebene ist jedoch aufgrund relativ hoher Bearbeitungszeiten und -kosten oder der Schwierigkeit, nicht flache Teile oder komplexe Geometrien zu behandeln, eine Herausforderung.Darüber hinaus kann das angewandte Verfahren Materialeigenschaften wie Mechanik, Haltbarkeit oder Korrosionsbeständigkeit beeinflussen.In Anbetracht der Tatsache, dass Kosteneffizienz und homogene Eigenschaften in Teilen mit komplexer Geometrie von der Industrie gefordert werden, gelten mehrere chemische Prozesse, die eine Herstellung in großem Maßstab ermöglichen, als potenziell geeignet für die Herstellung von superhydrophoben (SHP) und oleophoben Aluminiumteilen.Unter den Veröffentlichungen, die sich mit chemisch behandelten Aluminium-SHP-Oberflächen befassen, untersuchen nur wenige die Oleophobie10.Oberflächen, die sowohl Wasser (hydrophob) als auch Öl (oleophob) abweisen, sogenannte amphiphobe, sind schwieriger zu bearbeiten als Oberflächen mit rein hydrophoben Eigenschaften14.Zum Beispiel erhielten Choi et al.15 SHP und oleophobe hierarchische Aluminiumoberflächen mit unterschiedlichen Morphologien unter Verwendung von drei verschiedenen Arten von chemischen Ätzprozessen auf Alkalibasis.Carneiro et al.16 erzielten SHP und oleophobe Aluminiumoberflächen durch chemisches Ätzen, gefolgt von der Abscheidung von organisch modifizierten Silikatbeschichtungen, die durch Sol‐Gel‐Methoden synthetisiert wurden.Varshney et al.17 erreichten SHP-Aluminiumoberflächen mit selbstreinigenden und beschlagfreien Eigenschaften durch chemisches Ätzen und Passivierung mit Laurinsäure.Ruan et al.18 erhielten verschiedene SHP-Aluminiumoberflächen mit Anti-Icing-Funktionalität durch eine spezifische elektrochemische anodische Oxidation und chemische Ätzverfahren, die die Herstellungsverfahren für die Erzielung von SHP-Oberflächen vereinfachen.Barthwal et al.19 stellten ein mechanisch stabiles superamphiphobes Aluminium her, dh WCA- und Hexadecan-Kontaktwinkel (HCA) von mehr als 150°, indem sie einfaches chemisches Ätzen und Anodisieren mit 1H,1H,2H,2H-Perfluoroctyltrichlorsilan (FAS13)-Pfropfung kombinierten.Kürzlich stellten Kikuchi et al.20 eine superamphiphobe (Wasser- und Dodecan-Kontaktwinkel waren höher als 150°) Aluminiumoberfläche her, indem sie elektrochemisches Ätzen (in Salzsäurelösung) und Anodisierungsverfahren (in Pyrophosphorsäurelösung) kombinierten und hohe Kontaktwinkel mit unterschiedlichem Gleiten demonstrierten Winkel abhängig von der Eloxalzeit.Um jedoch einen qualitativen Sprung in industrielle Anwendungen zu machen, ist die Haltbarkeit von SHP und die oleophobe Leistung auf mikrotexturierten Aluminiumoberflächen eines der Hauptanliegen, die in jüngsten Arbeiten angesprochen wurden14.SHP und oleophobe Oberflächenbehandlung und -alterung werden in der Literatur mit dem Ziel untersucht, die Haltbarkeit zu erhöhen sowie Korrosion zu vermeiden, insbesondere in feuchten Umgebungen.Zheng et al.21 stellten eine SHP-Aluminiumoberfläche durch Anodisierung in Schwefelsäureelektrolyt und anschließende Oberflächenmodifikation mit Myristinsäure her, die nach Sandstrahlen (während 60 s) und mehreren UV/Wasser-Kondensationszyklen eine dauerhafte SHP-Leistung zeigte.Zhao et al.22 berichteten über eine SHP-Aluminiumlegierungsoberfläche (AA5052), die durch Elektroabscheidung einer Ni-Co-Beschichtung erhalten wurde, deren Grenzflächenenergie nach Behandlung mit 6-(N-Allyl-1,1,2,2-tetrahydroperfluordecyl)amino-1 reduziert wurde ,3,5-Triazin-2,4-dithiol-Mononatrium, das nach 4-wöchiger Einwirkung von Luft ein dauerhaftes WCA ohne Anzeichen von Korrosion zeigte.Yin et al.23 erzeugten eine SHP-Aluminiumoberfläche durch Anodisierungsprozess und chemische Modifizierung durch Myristinsäure.Die Ergebnisse zeigten, dass die Korrosion durch die Bildung eines stabilen SHP-Films mit geringer Veränderung des WCA nach 24-stündigem Eintauchen in Meerwasser wirksam gehemmt wurde.Wang et al.24 erhielten SHP-Aluminiumoberflächen durch eine Kombination aus chemischem Ätzen (in Salzsäurelösung), Hochfeldanodisierung und Pfropfen mit 1H,1H,2H,2H-Perfluoroctadecyltrichlorsilan (FAS33), die eine Langzeitstabilität der SHP-Leistung danach zeigten 24 h unter Wasser getaucht und 72 h von frei fallenden Wassertropfen beaufschlagt.Sie haben ihre gute Korrosionsbeständigkeit durch elektrochemische Tests nachgewiesen.Barthwal und Lim25 stellten eine SHP-Aluminiumlegierungsoberfläche (AA6061) mit einer doppelten Rauheit durch chemisches Ätzen her, die durch Dampfabscheidung mit Polydimethylsiloxan bedeckt wurde, wobei die Superhydrophobizität nach 7-tägigem Eintauchen in eine hochgradig salzhaltige Lösung beibehalten wurde.Die Haltbarkeit der Oberfläche wurde auch untersucht, indem die hergestellte Probe 8 Monate lang der Luft ausgesetzt wurde, was eine ausgezeichnete Langzeitstabilität unter diesen Bedingungen zeigte.Li et al.26 stellten SHP-Aluminiumoberflächen durch chemisches Ätzen und zyklisches Zusammenfügen unter Verwendung von Salzsäure, Phytinsäure, Cer(III)-Chlorid oder Eisenchlorid und 1H,1H,2H,2H-Perfluoroctyltriethoxysilan (FAS13) her.Solche SHP-Oberflächen zeigten eine thermische Stabilität von bis zu 200 °C und eine chemische Stabilität von bis zu 16 h, eingetaucht in 3,5 % Natriumchloridlösung.Für eine Vielzahl von gezielten Anwendungen von modifizierten Aluminiumoberflächen wie Selbstreinigung, Anti-Icing, Antifouling und andere sind Studien erforderlich, die sich mit repräsentativer Langzeitbeständigkeit oder Alterung der Benetzbarkeitseigenschaften von getesteten Oberflächen befassen, bevor diese Lösungen auf den Markt kommen können.In dieser Arbeit wurde eine chemisch mikrotexturierte Aluminiumoberfläche (AA1050) durch chemisches Ätzen in Salzsäurelösung erhalten.Um die Korrosionsbeständigkeit und die mechanischen Eigenschaften von geätzten Oberflächen zu verbessern, wurden anodische Schwefelschichten auf die chemisch mikrotexturierten Oberflächen aufgewachsen.Dann wurde ein Silan mit einer nicht hydrolysierbaren langen Polyfluoralkylgruppe, 1H,1H,2H,2H-Perfluordecyltriethoxysilan (FAS17), verwendet, um die erhaltene AA1050-Oberfläche auf zwei Arten zu modifizieren: (i) selbstorganisierte Monoschicht (SAM) durch FAS17 Pfropfen und (ii) Abscheidung einer dünnen Sol-Gel-Hybridbeschichtung (basierend auf Methacrylat, Siliciumdioxid und Zirkonoxid), die FAS17 in ihrer Formulierung enthält.Im Vergleich zu früheren Arbeiten haben wir in dieser einen skalierbaren, einfachen und kostengünstigen chemischen Mikrotexturierungsprozess in Kombination mit industriellen anodischen Schichten und Polyfluoralkylfunktionalisierung erhalten, die zu SHP und oleophoben Oberflächen führt und eine hohe Haltbarkeit in korrosiven Umgebungen zeigt.Der chemische Ätzprozess erzeugte eine mikrostufenähnliche Textur, die aus der Reaktion zwischen HCl und der Oberfläche von kristallinem Aluminium resultierte.Das Aussehen der Oberfläche des AA1050 nach dem chemischen Ätzen ist in Abb. 1a dargestellt.Die große Menge an Versetzungsdefekten in der kristallinen Oberfläche wirkt als bevorzugte Stellen für die Reaktion mit einigen spezifischen Versetzungsätzmitteln wie HCl10.Diese Reaktion beginnt mit der Erzeugung von Vertiefungen, die sich über die Oberfläche erstrecken, und durch fortschreitendes Verbinden dieser Vertiefungen wird eine homogene Mikrostufen-ähnliche Rauheit auf der gesamten Aluminiumoberfläche erzielt19.Diese mikrostufenartige Textur ist schematisch in Abb. 2 dargestellt. Es ist eine minimale Reaktionsdauer erforderlich, um eine homogene Mikrostufenstruktur zu erreichen.Durch Sichtprüfung wurde die optimale Reaktionsdauer für eine vollständige Oberflächenätzung zwischen 17 und 24 min festgelegt.In diesem Intervall war die Oberfläche offensichtlich vollständig und homogen geätzt, und es wurde eine homogene Passungsoberfläche beobachtet.REM-Bilder von (a) CE-Oberfläche, (b) chemisch geätzten und eloxierten Oberflächen CE-AL5, (c) chemisch geätzten und eloxierten CE-AL20 und funktionalisierten Proben (d) CE-FAS17 gepfropft, (e) CE-AL5- FAS17 gepfropft, (f) CE-AL20-FAS17 gepfropft, (g) CE-FAS17 hybridbeschichtet, (h) CE-AL5-FAS17 hybridbeschichtet und (i) CE-AL20-FAS17 hybridbeschichtet.Schematische Darstellung der mikroschrittartigen Struktur und FAS17-Modifikationen.Die arithmetische durchschnittliche Rauheit (Ra) von reinem AA1050 betrug 0,36 ± 0,02 µm und die maximale Höhe des Profils (Rt) betrug 2,84 ± 0,18 µm (siehe Tabelle 1).Nach dem chemischen Ätzen in 3,0 M HCl zwischen 17 und 24 min lag der mittlere Ra der Oberflächen zwischen 5 und 7 &mgr;m und der mittlere Rt zwischen 35 und 47 &mgr;m, wie in 3 dargestellt. Aus diesen Messungen wurde beobachtet, dass Ra der Oberflächen, die bei kürzerer Dauer geätzt wurden, zeigten höhere Ra-Werte, ⁓ 7 um, und eine große Streuung, die einer unvollständigen Oberflächenbearbeitung zugeschrieben wurde, die sowohl Vertiefungen als auch ungeätzte Bereiche aufwies.Eine Ätzdauer von mehr als 19 min führte zu Oberflächen mit niedrigeren Ra-Werten, ⁓ 6 um, und ab 21 min war die Ra-Dispersion geringer, was mit der erhaltenen homogenen Oberfläche zusammenhing.Bezüglich Rt wurden ähnliche Durchschnittsergebnisse für die verschiedenen Proben beobachtet, nahe 40 um, obwohl eine etwas größere Streuung bei kürzerer Ätzdauer beobachtet wurde.Ab einer Dauer von 21 min war die Rt-Streuung geringer.Bei der 24-minütigen Reaktion erhöhten sich die Rt-Dispersionswerte wahrscheinlich aufgrund eines anfänglichen Überätzprozesses der Legierung.Abb. 4 zeigt das Profil von AA1050 vor und nach 22 min Reaktion (CE) und Ra und Rt sind in Tabelle 1 dargestellt.Rauheitsmessung (Ra und Rt) an chemisch geätzten Aluminiumproben mit unterschiedlicher Reaktionsdauer.Oberflächenprofil von unberührten AA1050-, chemisch geätzten AA1050-Oberflächen (CE), FAS17-gepfropften (CE-FAS17-Gitter) und FAS17-hybridbeschichteten (CE-FAS17-Hybridbeschichtung) Oberflächen nach 22 Minuten chemischer Ätzreaktion.Die während 22 Minuten geätzten Oberflächen wurden zwei Arten von Nachbearbeitungen unterzogen, (i) Anodisierung und (ii) Einführung von Polyfluoralkyleinheiten, mit dem Ziel, die Haltbarkeit und Amphiphobie zu verbessern.Der Anodisierungsprozess erzeugt durch eine elektrochemische anodische Reaktion eine dicke Aluminiumoxidschicht auf der Oberfläche des Rohaluminiums.Die Struktur der anodisierten Aluminiumoxidschicht ist nanoporös, gebildet durch eine hexagonale Anordnung von Zellen mit zylindrischen Poren mit einem Durchmesser von 25 nm bis 0,3 μm und einer Tiefe von bis zu 100 μm27.Durch die Kombination von chemischen Ätz- und Anodisierungsprozessen wird die Kombination von Mikro- und Nanostrukturen und das Erreichen einer hierarchischen Struktur erwartet, was auch von mehreren Autoren verfolgt wurde18,19,25.Abbildung 1b,c zeigt Draufsichtbilder der anodischen Schichten, die auf den zuvor während 22 Minuten geätzten Aluminiumoberflächen gewachsen sind (CE-AL5 und CE-AL20).Wie beobachtet werden kann, wurde die durch das chemische Ätzverfahren erhaltene mikrostufenähnliche Strukturmorphologie nach der Anodisierung mit zwei unterschiedlichen Dicken beibehalten.Die anodische Schicht replizierte die Mikrotexturierung und das Wachstum von Aluminiumoxid war konform.Darüber hinaus war die Rauhigkeit (Ra und Rt, wie in Tabelle 1 dargestellt) der 5 und 20 &mgr;m dicken anodischen Schichten ähnlich der Rauhigkeit der nach 22 min geätzten Oberfläche.Daher wurde nach dem Wachstum der Oxidschicht bis zu 20 &mgr;m eine gut verteilte mikrostufenähnliche Struktur ähnlich der ursprünglichen CE beibehalten.Nach dem Erreichen von Mikro- und Mikro-Nano-Strukturen wurden zwei Hauptstrategien verfolgt, um die Zusammensetzung der Oberflächen zu modifizieren.Beide basierten auf der Einführung von Polyfluoralkyleinheiten.Die erste basierte auf der Oberflächenfunktionalisierung durch FAS17-Pfropfung.FAS17-Pfropfung ist eine Oberflächenmodifikation, bei der Al-OH-Endgruppen durch Al-O-Si- (CH2)2- (CF2)7-CF3 ersetzt werden, bekannt als selbstorganisierte Monoschicht.Folglich wurde keine größere Veränderung der Oberfläche beobachtet, weder aus morphologischer Sicht (siehe Fig. 1, 2 und 4) noch aus der auf den Oberflächen gemessenen Ra- oder Rt-Werte (siehe Tabelle 1).Die zweite bestand in der Aufbringung einer dünnen Hybridbeschichtung, die durch Sol-Gel synthetisiert wurde, mit der Anwesenheit von FAS17 in ihrer Formulierung.Diese ⁓ 1,6 μm dicke Beschichtung bestand aus Methacrylat, Siliciumdioxid und Zirkonoxid mit Polyfluoralkyleinheiten, die kovalent an die Matrix durch Si-C-Bindungen gebunden waren.In früheren Arbeiten der Autoren28,29 wurde gezeigt, dass das Aufbringen von Sol-Gel-Beschichtungen auf Aluminiumoberflächen durch Tauchbeschichtung keinem Konformationswachstum folgt, da es zur Oberflächennivellierung beiträgt, wie in Abb. 2 schematisch dargestellt Wie in Abb. 1d–i und Abb. 4 beobachtet, ermöglichte die relativ geringe Dicke der FAS17-Hybridbeschichtung, die mikrostufenartige Textur beizubehalten.Die in Tabelle 1 zusammengestellte Rauhigkeit der FAS17-Hybridbeschichtungen auf CE-, CE-AL5- und CE-AL20-Oberflächen, in der Ra und Rt aufgeführt sind, war jedoch aufgrund ihrer nivellierenden Wirkung in allen Fällen leicht reduziert.Es ist allgemein bekannt, dass die Benetzung einer Oberfläche durch eine Flüssigkeit durch die Rauheit und Morphologie der Oberfläche beeinflusst wird30,31,32.Tatsächlich besteht ein effektiver Weg zur Verbesserung der hydrophoben Eigenschaften einer Oberfläche darin, ihre Oberflächenrauhigkeit zu erhöhen.Tatsächlich wurden bei einem Material mit einer der geringeren bekannten freien Oberflächenenergien, Polytetrafluorethylen (PTFE), superhydrophobe Eigenschaften nur in Kombination mit hoher Rauheit erreicht33.In diesem Sinne ist die mikroschrittartige Strukturbearbeitung auf der Aluminiumoberfläche ein vielversprechender Ansatz zur Herstellung amphiphober Oberflächen10.Oberflächenfunktionalisierung durch fluorhaltige Gruppen ist eine erweiterte Strategie für Superhydrophobizität.Oberflächen, die -CF3, -CF2- und -CF2-CH2- enthalten, gehören zu den Materialien mit geringerer Grenzflächenenergie34, und die Länge der in eine Beschichtung eingeführten Polyfluoralkylgruppen wirkt sich direkt auf ihre Hydrophobie aus35.In dieser Studie wurde die Integration von FAS17-Molekülen auf zwei Arten betrachtet, zum einen durch Aufpfropfen der Moleküle auf die Aluminiumoberfläche und zum anderen durch eine Hybridbeschichtung, die FAS17-Moleküle enthält, was etwa ⁓7,4 % des getrockneten Beschichtungsmaterials ausmacht.Benetzbarkeitseigenschaften der Aluminiumoberfläche mit mikrostufenähnlichen Strukturen kombiniert mit FAS17-Pfropfung wurden mit dem Ziel untersucht, den Einfluss der Ätzdauer auf bearbeitete Oberflächen zu ermitteln.Da die FAS17-Pfropfung eine selbstorganisierte Monoschicht aus langkettigem Polyfluoralkyl ist, die keinen Einfluss auf die Oberflächenmorphologie hat, variierten WCA und HCA von FAS17-gepfropften chemisch geätzten Oberflächen je nach chemischer Ätzdauer, wie in Abb. 5 dargestellt. Die Oberflächen waren in allen Fällen superhydrophob, obwohl WCA aufgrund der Instabilität des Tröpfchens nicht quantitativ gemessen wurde, wenn der Kontaktwinkel höher als 140° war (Tröpfchen haftet nicht an der Oberfläche).HCA-Messung an chemisch geätztem AA1050 mit unterschiedlicher Dauer nach FAS17-Pfropfung.HCA der mit FAS17 gepfropften und chemisch geätzten Oberflächen bei unterschiedlicher Dauer wurde quantitativ analysiert.Wie in Fig. 5 beobachtet, fand eine Zunahme des HCA bis zu einer Ätzdauer von 22 min statt, wobei die Hauptänderung bei einer Zunahme von 17 min mit einem HCA von 48° auf 19 min mit einem HCA von 107° erfolgte.Die Werte bis 21 min zeigten jedoch eine relativ hohe Streuung, was mit Oberflächenrauheitsmessungen übereinstimmen kann.Oberhalb des 21-minütigen Ätzens wurde ein leichter HCA-Anstieg beobachtet, der den maximalen HCA von 123° beim 22-minütigen Ätzen mit geringer HCA-Dispersion erreichte, in Übereinstimmung mit der beobachteten homogenen Oberflächenmorphologie.Die mit FAS17 gepfropften anodisierten Oberflächen zeigten erneut Superhydrophobie, obwohl WCA nicht quantitativ bestimmt werden konnte, was zu einer Demonstration des SHP-Verhaltens führte.Der HCA für diese Oberflächen war ebenfalls extrem hoch (oleophob), da er fast 120° für die mit FAS17 gepfropften CE-AL5 und CE-AL20 erreichte, was zeigt, dass eine Eloxierung mit einer Dicke von bis zu 20 µm einen begrenzten Einfluss auf die Probenbenetzbarkeitsleistung hatte.Alle mit FAS17 gepfropften Oberflächen präsentierten vermutlich eine Monoschicht aus Polyfluoralkylresten dank der Reaktion der -OH-Gruppen der Oberfläche mit den Alkoxygruppen des FAS17, was zu einer hochfunktionalisierten Oberfläche mit kovalenter stabiler Bindung der Polyfluoralkylgruppe an das Metall führte: Al–O–Si–CH2–CH2–(CF2)7–CF3.Tabelle 2 stellt die WCA- und HCA-Werte des mit FAS17 gepfropften und mit FAS17-Hybrid beschichteten AA1050 nach 22 min chemischem Ätzen (CE) sowie nach Anodisierungsprozessen (CE-AL5 und CE-AL20) zusammen.Im Fall der mit FAS17-Hybrid beschichteten Oberflächen bestand das abgeschiedene Material aus einer Matrix aus Methacrylat-Silica-Zirkonoxid mit geringer Anwesenheit von Polyfluoralkyl-Einheiten.Selbst mit diesem geringen Prozentsatz an Polyfluoralkylgruppen war der erzielte WCA, obwohl er keine Superhydrophobie erreichte, hoch und lag nahe bei 140º auf CE und ⁓130º auf CE-AL5 und CE-AL20, wie in Tabelle 2 dargestellt war im Vergleich zu FAS17-gepfropft deutlich geringer, was auf die geringere Konzentration an Polyfluoralkylgruppen in der äußeren Oberfläche bzw. die Verringerung der Rauhigkeit aufgrund des Einebnungseffekts der Hybridbeschichtung zurückzuführen war.Mikrohärtemessungen wurden durchgeführt, um die Wirkung des chemischen Ätz- und Anodisierungsprozesses auf die mechanischen Eigenschaften der mikrotexturierten AA1050-Massenlegierung zu bewerten.Einerseits ist es wichtig zu beurteilen, wie sich das Eintauchen in eine starke Säurelösung und die daraus resultierende Porosität und Rauhigkeit auf die mechanischen Eigenschaften sowohl der Oberfläche als auch des Schüttguts des AA1050 auswirken.Auf der anderen Seite ermöglicht der Anodisierungsprozess neben dem Korrosionsschutz für Aluminium normalerweise die Verbesserung der Härte, Abrieb- und Verschleißfestigkeit der Aluminiumoberfläche.Zunächst wurde das Schüttgut AA1050 vor und nach den Behandlungen durch herkömmliche Vickers-Mikrohärteprüfungen durch optische Auswertung von Eindruckspuren entlang des Querschnitts untersucht.Dieser Wert wird, wie in der Norm ISO 6507 beschrieben, als Vickers-Härte HV bezeichnet und berücksichtigt nur die plastische Verformung.In Anbetracht der Tatsache, dass die Rauheit der mikrotexturierten Proben einen Abstand von Spitze zu Tal zwischen 40 und 50 µm aufwies, wurden in dieser Studie Mikrohärtemessungen ab einer Tiefe von 40 µm berücksichtigt.Abbildung 6 zeigt die Ergebnisse der Proben AA1050, CE und CE-AL20 in unterschiedlichen Abständen von der Oberfläche.Es kann beobachtet werden, dass die Ergebnisse der Mikrohärte für die drei Materialien ähnlich sind und alle zwischen 30 und 40 HV0,01 liegen.Folglich wurde der Schluss gezogen, dass der Großteil des AA1050 nicht von der Oberflächenmikrotexturierung betroffen war.Querschnittsmikrohärte in mehreren Tiefen auf unberührtem AA1050 und nach chemischem Ätzen (CE) und 20 μm dicker anodischer Schicht (AL20).Dann wurde ein dynamischer Eindringtest gemäß ISO 14.577-Standard auf der Oberfläche von makellosen AA1050-, CE- und CE-AL20-Oberflächen durchgeführt.Dieses Verfahren berücksichtigt sowohl den elastischen als auch den plastischen Anteil der Verformung.Abbildung 7 zeigt die Belastungs-Entlastungs-Eindruckkurven, die blankem AA1050, CE und CE-AL20 entsprechen, und Tabelle 3 zeigt die Zusammenfassung der dynamischen Mikrohärteergebnisse an getesteten Proben.Bei maximaler Belastung, 1000 mN, betrug die Eindringtiefe von unberührtem AA1050 10,7 ± 0,4 µm, während sie nach der chemischen Ätzbehandlung auf 23,1 ± 1,6 µm anwuchs.Die bei maximaler Belastung HIT gemessene Eindruckhärte von AA1050 betrug 330 ± 23 MPa und war nach dem chemischen Ätzen auf 71 ± 10 MPa reduziert.Daher wurde bewiesen, dass das chemische Ätzen mit HCl-Lösung auf der Aluminiumlegierung AA1050 einen negativen Einfluss auf die mechanischen Oberflächeneigenschaften hatte, die erheblich verringert wurden.Die auf der 20 µm dicken anodischen Schicht gemessene Eindringtiefe betrug 11,4 ± 0,9 µm und die HIT 287 ± 47 MPa, im gleichen Bereich wie beim reinen AA1050.Folglich wurde dem nach dem chemischen Ätzen auf die mechanischen Oberflächeneigenschaften erzeugten nachteiligen Effekt durch die Abscheidung der anodischen Schicht entgegengewirkt.Dynamische Mikrohärte-Testergebnisse auf unberührtem AA1050 und nach chemischem Ätzen (CE) und 20 μm dicker anodischer Schicht (CE-AL20).Daher kann geschlussfolgert werden, dass nach dem chemischen Ätzen der betroffene Bereich unter der Oberfläche auf den aufgerauten Bereich (ca. 50 µm Tiefe) beschränkt ist, ohne die Masse des Materials zu beeinflussen, gemäß den Ergebnissen der Querschnittsuntersuchung .Bisher haben verschiedene Arbeiten die Korrosionsbeständigkeit von SHP-Aluminiumoberflächen durch elektrochemische Tests untersucht22,23,24, obwohl nur wenige Informationen über ihre Benetzbarkeitseigenschaften nach langer Einwirkung korrosiver Umgebungen gefunden wurden21,25,36.Um die Haltbarkeit verarbeiteter superhydrophober und oleophober Oberflächen zu bewerten, wurde hier ihre Korrosionsbeständigkeit nach NSST sowie die Änderung der Benetzbarkeit nach langer Exposition von 2016 h bewertet.Abb. 8 zeigt das Aussehen von unberührtem AA1050, chemisch geätztem AA1050 (CE), FAS-17-gepfropftem CE und FAS17-hybridbeschichtetem CE sowie FAS17-gepfropften und FAS17-hybridbeschichteten eloxierten Proben nach 2016 h Exposition.Das makellose und chemisch geätzte AA1050 wies nach 24-stündiger Einwirkung Anzeichen von Korrosion auf, insbesondere traten weiße und graue Korrosionsprodukte auf der Aluminiumoberfläche auf.Am Ende des Tests wies das chemisch geätzte AA1050 stark ausgedehnte weiße Korrosionsprodukte auf der gesamten Oberfläche auf.Allein die chemische Ätzbehandlung hatte einen negativen Effekt auf die Haltbarkeit von AA1050.Bilder von unberührtem AA1050, chemisch geätzten Proben CE;chemisch geätzte und funktionalisierte Proben CE-FAS17-gepfropft, CE-FAS17-Hybridbeschichtung;chemisch geätzte, anodisierte und funktionalisierte Proben CE-AL5-FAS17 gepfropft, CE-AL20-FAS17 gepfropft, CE-AL5-FAS17 hybridbeschichtet, CE-AL20-FAS17 hybridbeschichtet nach 2016 h Exposition gegenüber NSST.Durch das Sol-Gel-Verfahren hergestellte Hybridbeschichtungen werden häufig zum Korrosionsschutz von Metallen verwendet.Insbesondere Formulierungen auf Basis von Mischungen aus Silizium- und Zirkoniumalkoxiden in Kombination mit Organoalkoxiden wie MAPTMS haben einen Korrosionsschutz von Aluminiumlegierungen gezeigt, die sehr korrosionsanfällig sind, wie AA202428.In diesem Fall wurde die Hybridbeschichtung mit FAS17 modifiziert, um auch die Superhydrophobie zu verbessern.Beide chemischen Modifikationen (Pfropfen und Beschichten) mit FAS17 auf CE-Proben verzögerten das Auftreten von Korrosionserscheinungen.Die Oberfläche des mit FAS17 gepfropften CE zeigte während des Tests Farbveränderungen, während das mit FAS17-Hybrid beschichtete CE nach 336 h Exposition eine Farbveränderung und das Vorhandensein von Korrosionsprodukten auf der Oberfläche aufwies.Es kann geschlussfolgert werden, dass sowohl die FAS17-Pfropfung als auch die FAS17-Hybridbeschichtung den AA1050 nach dem chemischen Ätzen leicht schützten.Die Eloxalbehandlung verleiht Aluminiumteilen Korrosionsschutz und Härte.Obwohl die Eigenschaften der anodischen Schicht von der Aluminiumlegierung, dem Elektrolyten und den Eloxalparametern abhängen, bieten industrielle Prozesse normalerweise einen Korrosionsschutz für die Aluminiumoberfläche.Gemäß MIL-A-8625F müssen die versiegelten eloxierten Aluminiumlegierungen 336 h lang NSST gemäß ASTM-B117 ausgesetzt werden, außer dass die Oberfläche 6 ± 2° von der Vertikalen geneigt sein muss.Die CE-Proben, die mit anodischen Schichten von zwei Dicken, 5 und 20 μm, bedeckt und dann mit FAS17-Pfropfung und FAS17-Hybridbeschichtung modifiziert wurden, zeigten nach 336 h keinen Korrosionsbruch.Daher wurde die Exposition gegenüber der korrosiven Umgebung bis 2016 h verlängert, um Unterschiede zwischen den verschiedenen Behandlungen zu beobachten.Es ist auch wichtig, sich vor Augen zu führen, dass die erforderliche Korrosionsbeständigkeit für eloxiertes Aluminium mit einem anschließenden organischen Primer, der auf die Konversionsbeschichtung aufgetragen wird, 2016 h in NSST gemäß den Spezifikationen MIL-P-85582B und MIL-PRF-23377 J beträgt Am Ende des Tests erschienen die eloxierten CE-AL5 und CE-AL20 AA1050, beide mit FAS17-Pfropfung und Hybridbeschichtung, intakt, ohne Anzeichen von Weißkorrosion.Daher wurde gezeigt, dass die anodischen Schichten von 5 und 20 &mgr;m die chemisch geätzte AA1050-Oberfläche vor Korrosion schützen.Um die Haltbarkeit von SHP und oleophoben Eigenschaften zu untersuchen, wurden WCA und HCA auf den mit FAS17 modifizierten Oberflächen nach 2016 h Exposition gegenüber NSST gemessen und in Tabelle 2 dargestellt WCA und HCA nach NSST-Exposition, Abfall auf 88,7 ± 14 bzw. 49,8 ± 10.FAS17-transplantiertes CE-AL5 zeigte eine leichte Reduktion der WCA- und HCA-Werte, die 123,9 ± 4,6 bzw. 115,7 ± 3,3 betrugen.Schließlich wurde ein hervorragendes Ergebnis für die mit FAS17 gepfropfte CE-AL20-Oberfläche erzielt, die die SHP- und oleophoben Eigenschaften nach dem Korrosionstest beibehielt.Im Fall von mit FAS17-Hybrid beschichteten Oberflächen zeigten sie eine beträchtliche Reduktion von WCA und HCA nach NSST-Exposition.Keiner von ihnen behielt die Hydrophobizität bei, da WCA in allen Fällen < 90° war und die gealterten Oberflächen eine hohe Affinität zu Hexadecan aufwiesen, da HCA in allen Fällen < 10° war, selbst wenn visuell kein Schaden beobachtet wurde.Einige Arbeiten, die sich mit der Korrosionsbeständigkeit von SHP-Aluminiumoberflächen befassten, schlugen vor36, dass die Permeabilität der Beschichtung der Grund für das Eindringen von Wasser in die Beschichtung nach einer bestimmten Einwirkzeit sein kann, obwohl es sich um SHP handelt.Dies kann zu Defekten bei FAS17-Behandlungen und zur Modifikation der chemisch mikrotexturierten Oberfläche aufgrund von Korrosionsprodukten führen, die sich unter der Beschichtung bilden.Dies könnte der Grund für die Verringerung der Benetzbarkeit der FAS17-gepfropften 5 µm dicken anodischen Schicht sein, während die 20 µm dicke anodische Schicht scheinbar dazu beitrug, die Integrität der chemisch mikrotexturierten Oberfläche und der FAS17-gepfropften Schicht aufrechtzuerhalten.Mit dem Ziel, die Integrität der FAS17-Moleküle auf der Oberfläche zu beurteilen, wurde die Variation des Fluorgehalts auf dem mit FAS17 gepfropften CE-AL20 durch EDX-Analyse vor und nach NSST-Exposition zusammen mit dem nackten CE-AL20 als Referenz untersucht.Wie in Tabelle 4 dargestellt, bestätigten die Ergebnisse der Oberflächenzusammensetzung in Atomprozent, dass die Fluorkonzentration auf der Oberfläche nach der 2016-stündigen Exposition in NSST nicht verändert wurde.Daher schützte die Kombination aus der FAS17-Pfropfung und der 20 µm dicken anodischen Schicht auf der chemisch mikrotexturierten Aluminiumoberfläche die Oberfläche vor Korrosion und begünstigte folglich die Beständigkeit der Benetzbarkeitseigenschaften nach 2016 h Einwirkung von NSST.Das Design einer Behandlung für AA1050-Oberflächen mit superhydrophoben und oleophoben dauerhaften Eigenschaften wurde in dieser Arbeit erfolgreich durch die Kombination von chemischen und industriellen elektrochemischen Behandlungen auf der Oberfläche mit chemisch gebundenen Polyfluoralkyleinheiten erreicht.Insbesondere ermöglichte ein optimiertes chemisches Ätzen mit HCl, eine mikrostufenähnliche Struktur zu erreichen, die nach den Schwefelanodisierungsbehandlungen erhalten blieb (5 und 20 &mgr;m dicke Schicht).Obwohl die chemische Ätzbehandlung selbst die Verringerung der mechanischen Oberflächeneigenschaften von AA1050 aufgrund der Einführung von Porosität und Rauhigkeit hervorrief, verbesserte die anodische Schicht die Oberflächenhärte auf ähnliche Werte wie bei reinem AA1050.In Bezug auf die chemische Modifikation mit FAS17-Molekülen veränderte das Wachstum einer selbstorganisierten Monoschicht der langkettigen Polyfluoralkylgruppen die Oberflächenmorphologie nicht, was zu superhydrophoben und oleophoben Oberflächen führte.Auf der anderen Seite hatte die Abscheidung einer dünnen Schicht einer Hybridbeschichtung mit einem geringeren Vorhandensein von langen Polyfluoralkylgruppen in ihrer Struktur einen nivellierenden Effekt, der die Oberflächenrauhigkeit verringerte, und zeigte Hydrophobie, wenn auch nicht im gleichen Grad wie FAS17-gepfropfte Oberflächen.Solche Oberflächen waren nicht oleophob.Das Vorhandensein einer anodischen Schicht nach der chemischen Mikrotexturierung in Kombination mit FAS17-Modifikationen bot einen hervorragenden Korrosionsschutz nach 2016 h Einwirkung von NSST.Die FAS17-Pfropfung auf einer 20 μm dicken anodischen Schicht, die auf chemisch mikrotexturiertem AA1050 abgeschieden wurde, behielt die superhydrophoben und oleophoben Eigenschaften nach 2016 h Exposition gegenüber NSST bei.Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine skalierbare, einfache und kostengünstige chemische Mikrotexturierung in Kombination mit einer anodischen Schicht und FAS17-Pfropfung es ermöglichte, eine superhydrophobe und oleophobe Leistung von AA1050 zu erreichen, mit mechanischen Eigenschaften, die denen von reinem AA1050 ähneln, und einer hervorragenden Beständigkeit der Benetzungseigenschaften unter Salzsprühumgebungen. was den qualitativen Sprung begünstigt, der für die Einführung solcher Lösungen in industrielle Anwendungen erforderlich ist.Das verwendete Substratmaterial war ein 1 mm dickes Blech aus handelsüblichem, kaltgewalztem, geschmiedetem AA1050, bereitgestellt von Alustock SAHCl (37 Gew.-%) wurde von Scharlab bezogen und verwendet, um eine 3 M Lösung in entionisiertem Wasser herzustellen.Eine körnige Mischung aus Natriumbifluorid und Eisensulfat von Turco Española, SA sowie HNO 3 (67 %) von Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA) wurden verwendet, um ein Desoxidationsbad herzustellen.Absolutes Ethanol (99,9 % Reinheit) wurde von Scharlab SL bezogen. 1H,1H,2H,2H-Perfluordecyltriethoxysilan (FAS17, 97 % Reinheit) wurde von Sigma-Aldrich bezogen.Appl.Wissenschaft.Appl.Option.Technol.Proz.Natl.Akad.Wissenschaft.Org.Artikel ADS-CAS Google ScholarArtikel ADS-CAS Google ScholarAppl.Artikel ADS-CAS Google ScholarArtikel ADS-CAS Google ScholarArtikel ADS-CAS Google ScholarSoc.Des.Appl.Wissenschaft.Artikel ADS-CAS Google ScholarWissenschaft.Int.Eng.HerstellerAppl.Artikel ADS-CAS Google ScholarWissenschaft.Org.Eng.Wissenschaft.Appl.Wissenschaft.Die Autoren erklären keine konkurrierenden Interessen.Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:Leider ist für diesen Artikel derzeit kein teilbarer Link verfügbar.Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedItMelden Sie sich für den Nature Briefing-Newsletter an – was in der Wissenschaft wichtig ist, täglich kostenlos in Ihrem Posteingang.