Plasma

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 255 (2023) Citare questo articolo

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Questo lavoro dimostra un nuovo percorso verso la fabbricazione diretta sulla superficie di un rivestimento superficiale superidrofobo su acciaio dolce. Il rivestimento è stato formato utilizzando plasma con scarica a barriera dielettrica (DBD) per convertire un precursore liquido di piccole molecole (1,2,4-tricolorobenzene) in una pellicola solida tramite polimerizzazione superficiale assistita da plasma. I trattamenti al plasma sono stati eseguiti in atmosfera di azoto con una varietà di livelli di potenza e durata. I campioni sono stati analizzati mediante microscopia ottica ed elettronica a scansione (SEM), spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDS), spettrometria di massa di ioni secondari a tempo di volo (ToF-SIMS), spettroscopia Raman, profilometria ottica, misurazione dell'angolo di contatto e prove di polarizzazione potenziodinamica. La bagnabilità dei film variava con i parametri del plasma e attraverso l'inclusione di nanopiastrine di grafene nel precursore. Le esposizioni al plasma ad alte dosi del precursore contenente nanopiastrine hanno creato pellicole superidrofobiche con angoli di contatto con l'acqua superiori a 150°. I test di polarizzazione potenziodinamica hanno rivelato che il rivestimento superidrofobo forniva poca o nessuna protezione dalla corrosione.

Le superfici superidrofobiche sono materiali a bassa energia superficiale comprendenti motivi gerarchici di micro e nanostrutture1,2,3,4. Gli attuali metodi di fabbricazione per superfici superidrofobiche includono litografia5,6,7,8, incisione9,10,11,12, autoassemblaggio13,14,15, deposizione di particelle16, deposizione di vapore16,17, tecniche sol-gel18,19,20 e fusione21 . Di questi diversi approcci, solo i processi sol-gel e di elettrodeposizione sono stati utilizzati per fabbricare rivestimenti superidrofobici su acciaio dolce20,22,23, mentre molti metodi si concentrano su altri substrati come tessuti o silicio. La realizzazione di finiture superficiali superidrofobiche può richiedere molto tempo ed essere costosa, ad esempio a causa dei processi multifase, dei lunghi tempi di polimerizzazione e delle alte temperature24,25.

Un'importante applicazione dei film superidrofobici è la protezione dalla corrosione. La corrosione dei metalli comporta un notevole onere finanziario per molte industrie ed è quindi di grande interesse mitigarla26. Si presuppone una forte connessione tra bagnabilità della superficie e corrosione, con le superfici superidrofobiche che solitamente hanno notevoli proprietà anticorrosive27,28,29,30. Le superfici superidrofobiche, che hanno angoli di contatto con l'acqua superiori a 150°, limitano il contatto tra l'acqua e la superficie31. Un'indagine della letteratura rivela un presupposto comune secondo cui all'aumentare dell'idrofobicità di un rivestimento, aumenterà anche la resistenza alla corrosione che fornisce22,27,32,33,34,35, con superfici superidrofobiche che si presume offrano una solida protezione contro la corrosione26,36 ,37,38,39,40. Un modello a riguardo si basa sulla struttura gerarchica della superficie che provoca la formazione di sacche d'aria tra il liquido corrosivo e il substrato, impedendo agli ioni aggressivi di attaccare il substrato limitando l'interazione fisica36,37,41,42,43,44,45. Tuttavia, questo non è sempre il caso, poiché è stato riscontrato che alcuni film superidrofobici possono ancora fornire una protezione dalla corrosione scarsa o nulla46.

In questo lavoro è stato utilizzato un metodo di polimerizzazione al plasma per la sintesi di rivestimenti su acciaio dolce. L'approccio al plasma è stato scelto per i vantaggi che la tecnica offre, quali scalabilità, efficienza energetica e lavorazione semplice e veloce a temperatura ambiente e pressione atmosferica. Abbiamo precedentemente dimostrato che il trattamento al plasma promuove una reazione di scissione dei legami C–X (carbonio–alogeno) nell'1,2,4-triclorobenzene (TCB) in presenza di una superficie catalizzatrice metallica elementare47, seguita da una reazione di oligomerizzazione o polimerizzazione che porta alla formazione di una pellicola solida legata in superficie. Abbiamo dimostrato che il processo funziona su film sottili di Au e Ni47, nonché su substrati di rame sfuso48. In questo lavoro dimostriamo che lo stesso processo può essere applicato all'acciaio dolce (vedi Fig. 1). L'acciaio dolce è un candidato importante per i rivestimenti protettivi contro la corrosione, poiché viene utilizzato in un'ampia gamma di applicazioni49, nonostante il suo intrinseco svantaggio di ossidarsi facilmente (arrugginire)50. Mostriamo che la bagnabilità dei film che produciamo su acciaio dolce può essere modificata attraverso l'aggiunta di nanopiastrine di grafene (GrNP) in sospensione. I GrNP sono fogli a pochi strati di carbonio sp251 e sono naturalmente idrofobi52. Abbiamo studiato l'effetto dei diversi livelli di potenza del plasma e dei tempi di dose per i film creati con e senza GrNP e abbiamo caratterizzato il prodotto mediante microscopia ottica e microscopia elettronica a scansione (SEM). La bagnabilità del film è stata valutata attraverso misurazioni dell'angolo di contatto e il film superidrofobico è stato sottoposto a test di corrosione. I test di polarizzazione potenziodinamica (PDP) hanno rivelato che i rivestimenti hanno prodotto una protezione dalla corrosione minima o nulla, nonostante la loro superidrofobicità. Tuttavia, nonostante l’incapacità di fornire protezione dalla corrosione, riteniamo che la superidrofobicità di questi rivestimenti potrebbe comunque essere utile per applicazioni in aree come l’antighiaccio53.