Technologies for obtaining chemically resistant coatings of titanium oxide nanoparti-cles

Full Text

Стремительное развитие современной техники требует повышения физико-механических и эксплуатационных свойств материалов. При увеличении количества легирующих элементов физико-механические характеристики, такие как прочность, твердость, износостойкость возрастают, но вероятность хрупкого разрушения так же увеличивается. В настоящее время, это объясняет все возрастающий интерес к покрытиям. Современные технологии получения покрытий имеют ряд ограничений, поэтому всегда актуальной является задача разработки новых энергосберегающих, простых способов получения покрытий.

Перспективными веществами в качестве защитных покрытий являются сложные оксиды d-элементов, обладающие высокой химической устойчивостью к агрессивным средам [1]. Использование наноразмерных частиц позволяет сократить расход веществ при получении покрытия, а также позволяет сохранить химические и эксплуатационные свойства покрытия.

В качестве сложных оксидов d-элементов были выбраны оксиды титана вида K_xTiO₂, которые так же имеют название оксидные калий титановые бронзы.

Наночастицы калий титановых бронз получали двумя методами: механосинтезом (МС) и самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (СВ-синтез).

МА проводили в планетарной мельнице АГО-3, с числом оборотов барабана – 1780 в минуту. В качестве измельчающих тел использовали стальные шарики, диаметром 8 мм. Соотношение реакционная смесь: мелющие тела = 10:220 по массе. Состав реакционной смеси рассчитывали по уравнению TiO₂+xKI = K_xTiO₂+x/2I₂. Время синтеза составило 400 с. Продукт синтеза очищали концентрированной азотной кислотой от примеси железа, которое попадает в реакционную смесь с поверхности мелющих тел.

В основу СВ-синтеза была положена следующая реакция: xKI + 0.5TiO₂ + 0.5Ti + CuO = K_xTiO₂ + x/2I₂ + Cu, так как смесь йодида калия с оксидом титана является эндотермичной, в систему вводили экзотермическую смесь – оксид меди (II) и металлический титан. Формировали таблетку, в качестве связующего использовали этанол, инициацию синтеза проводили с помощью газовой горелки в токе инертного газа. Продукт очищали концентрированной азотной кислотой от выделяющейся в ходе реакции металлической меди.

Данными методами получены продукты темно-синего цвета с металлическим блеском.

Идентификацию продуктов проводили методом рентгенофазового анализа на дифрактометре фирмы Philips с монохроматическим Cu-K_α-излучением. Рентгенограммы полученных веществ представлены на рисунке 1.

Данные рентгенограммы соответствуют сложному оксиду состава K_0.06TiO₂. В смеси, полученной СВ-синтезом, присутствует примесь металлической меди, методом МС – диоксида титана.

Размеры частиц определяли по электронным фотографиям. Микрофотографию частиц, полученных методом СВ-синтеза получали на микроскопе Zeiss Axiovert 200 MAT, на СЭМ на электронном микроскопе «VEGA II LMU» фирмы «TESCAN» (программный комплекс «Vega TC») изображение частиц МС (рисунок 2).

Материалы, полученные СВ-синтезом и МС, имеют размеры частиц в пределах 60 нм.

Химическую инертность полученных материалов оценивали по действию на них концентрированных кислот. В таблице 1 приведены результаты исследования.

Сложные оксиды титана имеют очень низкую степень адгезии к металлу. Для повышения адгезии готовили водно-силикатную суспензию в соотношении H₂0:Na₂SiO₃:K_0.06TiO₂=1:0,1:0,1. Полученную суспензию наносили ровным слоем на металлическую подложку и высушивали в течение суток, затем подвергали термической обработке при температуре 1000-1200°С.

 

Рисунок 1 – Рентгенограммы продуктов синтеза сложных оксидов титана: а – СВ-синтез; б – МС.

 

Рисунок 2 – Микрофотографии наноматериалов на основе K0.06TiO2: а – МС; б – СВ-синтез.

 

Таблица 1. Визуальный эффект после воздействия реагента в течение 168 часов*

Реагент	K0.06TiO2 (СВ-синтез)	K0.06TiO2 (МС)	TiO2
H2SO4, ρ= 1.83 г/см3	Изменений нет	Изменений нет	Полное растворение
HNO3, ρ= 1.48 г/см3	Изменений нет	Изменений нет	Частичное растворение
HCl, ρ= 1.19 г/см3	Изменений нет	Изменений нет	Частичное растворение

* – данные приведены на 0,1 г вещества

Изображение поверхности покрытия снимали на сканирующем зондовом микроскопе NANOEDUCATOR фирмы NT-MDT (рисунок 3).

 

Рисунок 3 – Рельеф поверхности защитного покрытия

 

Из полученных данных видно, что покрытие получается сплошным и равномерным.

Химическую стойкость полученных покрытий оценивали по скорости коррозии образцов. Результаты представлены в таблице 2.

 

Таблица 2. Химические свойства исследуемых образцов

Реакционная среда	Скорость коррозии образца, г/мин
	Без покрытия	С покрытием
HNO3, ρ=1,48 г/см3	0,037	0,015
H2SO4, ρ=1,83 г/см3	0,044	0,018
HCl, ρ=1,19 г/см3	0,236	0,113

 

Полученное защитное покрытие подвергали испытаниям на адгезию методом отрыва σ=120 Н/м²; отслаивание покрытия происходит при изгибе металлической подложки на 20°. Также проводили определение силы трения покоя F_тр=0,70 H (для покрытия) и F_тр = 0,38 Н (для подложки); силы трения скольжения F_тр=0,59 H (для покрытия) и F_тр = 0,32 Н (для подложки).

Предложенная технология позволяет получить качественное защитное покрытие на металле. Данная технология проста в исполнении, не требует дорогостоящего оборудования.

About the authors

Svetlana S. Pavlova

Yugra State University

Author for correspondence.
Email: vestnik@ugrasu.ru

Senior lecturer of the kaphaedra Chemistry Institute of Nature Yugorsky state university

Russian Federation, 16, Chehova street, Khanty-Mansiysk, 628012

Margarita K. Kotvanova

Yugra State University

Email: vestnik@ugrasu.ru

Candidate of Chemistry Sciences, Professor , Head of the kaphaedra Chemistry Institute of Nature Yugorsky state university

Russian Federation, 16, Chehova street, Khanty-Mansiysk, 628012

Irina A. Sologubova

Yugra State University

Email: vestnik@ugrasu.ru

Student

Russian Federation, 16, Chehova street, Khanty-Mansiysk, 628012

Nadezhda N. Blinova

Yugra State University

Email: vestnik@ugrasu.ru

Engineer of the kaphaedra Chemistry Institute of Nature Yugorsky state university

Russian Federation, 16, Chehova street, Khanty-Mansiysk, 628012

References

Supplementary files