Электрофоретический способ формирования покрытий из графена

Электрофоретический способ формирования покрытий из графена

Реферат

Изобретение относится к технологии создания защитных покрытий из наночастиц графена на материалы с различными физико-химическими свойствами. При этом достигается повышение качества защитных покрытий на разнородные материалы и изделия из них: металл, стекло, пластмассу, резину, оптические элементы светодиодов, медицинское оборудование, имплантанты человека, короноки зубов; удается значительно увеличить стойкость изделий с покрытием, работающих на истирание в опорах скольжения, в качестве твердой смазки в часовой промышленности.

Известен способ электролитического нанесения покрытий на плоские изделия, включающий непрерывное осаждение материала из раствора при пропускании технологического тока между катодом и анодом (RU 2207410 С1, МПК C25D 5/33, C25D 7/04, опубл. 15.04.2003 г.).

Недостатком указанного способа является то, что он не гарантирует достаточной степени качества защитного покрытия.

Известен способ формирования тонких пленок электролита YSZ методом электрофоретического осаждения на пористых катодах, включающий получение суспензии нанопорошка YSZ в изопропиловом спирте и ацетилацетоне с добавлением полимерного модификатора БМК-5 (сополимер бутилметакрилата с 5% метакриловой кислотой, молекулярной массой 3.1×10^-5). Суспензию концентрацией 2 г/л готовили по навеске нанопорошка, который диспергировали в смешанной среде (изопропанол: ацетилацетон=1:1) объемом 25 см³. Суспензию 20 г/л шихты LSM готовили в смешанной среде объемом 50 см³. Перед нанесением шихту LSM измельчали в изопропиловом спирте до обеспечения удельной поверхности 13 м²/г.При электрофоретическом осаждении катодом служила пористая LSM-подложка площадью 13 мм, анодом - диск из нержавеющей стали, расстояние между электродами - 1 см. Использовали режим осаждения 50 В, ток осаждения 1,5 мА, время осаждения 1-2 минуты (RU 2400858 С1, МПК H01J 1|02, опубл. 27.09.10 г.).

Недостатком способа является значительное количество крупных пор размером 3-20 мкм. На металлическую поверхность оседают не индивидуальные частицы размером 10-20 нм, а их агрегаты размером 100-200 нм. Образуется пористое покрытие, что снижает качество защитного нанопокрытия металла.

Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является способ, заключающийся в получении наночастиц графена, приготовлении суспензии, содержащей жидкую и твердую фазы из наночастиц графена, положительную зарядку наночастиц графена, введение суспензии в емкость, содержащей электроды, электрофоретическое осаждение наночастиц графена на отрицательно заряженный электрод путем пропускания постоянного электротока между электродами (Wu Z-S, Pei S.F./Field Emission of Single - Layer Graphere Films Prepared by Electrophoresis Deposition // Adv.mater. - 2009. - V21. - P1756-1760).

Недостатком прототипа является получение «пористого» графенового покрытия с неровной поверхностью.

Задачей заявляемого способа является повышение качества защитного графенового покрытия при нанесении на изделия из материалов с различными физико-химическими свойствами: металла, стекла, пластмассы, резины.

Технический результат достигается благодаря тому, что электрофоретический способ формирования покрытий из графена включает получение наночастиц графена, приготовление ионизированной суспензии с наночастицами графена на основе спиртового раствора, введение суспензии в емкость с электродами, осаждение наночастиц графена под действием постоянного тока на анод, но для нанесения графенового покрытия на материалы, различные по физико-химическому составу и свойствам, применяют суспензию с водородным показателем 5-12 рН при постоянном токе плотностью 2,5 мА/см² и напряжении 80-110 В. Кроме того, для нанесения графенового покрытия на металлические изделия применяют суспензию с водородным показателем 5,4-5,5 рН при напряжении 80 В; для нанесения графенового покрытия на стеклянные изделия применяют суспензию с водородным показателем 5,5-6,5 рН при напряжении 90 В; для нанесения графенового покрытия на резиновые изделия применяют суспензию с водородным показателем 7,5-8,0 рН при напряжении 100 В; для нанесения графенового покрытия на керамические изделия применяют суспензию с водородным показателем 8,0-12,0 рН при напряжении 110 В.

Исследования показали, что при использовании для осаждения графенового покрытия на изделия из различных материалов суспензии с водородным показателем меньше 5 рН и больше 12 рН, напряжения меньше 80 В и больше 110 В, плотности тока меньше и больше 2,5 мА\см² качество покрытия резко снижается.

Известно, что у изделий из материала сталь 10 предел прочности на растяжение 340 МПа, предел текучести 210 МПа, относительное удлинение на растяжение 30%, твердость 20-40 HRC.

По данным сайта http//dtamania.ru/news/grefen у графеновой пленки предел прочности на растяжение в 10 раз больше, чем у стали, жесткость на изгиб (устойчивость на изгиб) в 13 раз больше аналогичного показателя стали, показатель твердости в 2 раза больше, чем у стали.

Графеновое покрытие имеет следующие характеристики: предел прочности на растяжение 3400 МПа, предел текучести 2100 МПа, твердость 40-80 HRC. По данным (http//issp.ras.ru/Control/inform/perst/2011/11_24) шероховатость поверхности графеной пленки составляет 0,15·10^-9 - 0,20·10^-9 м.

При использовании защитных покрытий из графеновой пленки стойкость покрытий поверхности труб нефти - газопроводов повышается в 10 раз, покрытий, работающих в подшипниках качения в качестве твердой смазки - в 2 раза. У металлических листов с глянцевой поверхностью шероховатость R a ‵ =1,2-1,05 мкм (1,2 10^-6-1,05 10^-6 м). Таким образом, нанесение графеного покрытия на металлическую глянцевую поверхность стали позволяет снизить шероховатость ее поверхности в 1000 раз. Для таких поверхностей не требуется дальнейшая обработка: полировка и шлифовка.

Нанесение графеного покрытия на поверхность металла или стекла позволяет улучшить микрогеометрию (снизить шероховатость) и тем самым повысить качество поверхности, например, для металлических листов офсетной печати, оконных и автомобильного стекол. На такую поверхность не оседает пыль и грязь, что позволяет отказаться от регулярной очистки металлических листов офсетной печати, оконных и автомобильного стекол.

Пример 1. Нанесение защитного покрытия на металлическую поверхность. При этом производили следующие операции: химическое отшелушивание частиц графена путем обработки графита 20% раствором азотной кислоты HNO₃. При этом получен монослой графена с размерами частиц 10-30 нм в количестве 80%. Суспензию для электролита готовили следующим образом. В 150 г изопропилового спирта вводили 15 г нанопорошка графена со средним размером частиц 10-30 нм. Далее частицы графена положительно заряжали, добавляя Mg (NO₃)₂×6Н₂О. Весовое соотношение частиц графена и добавки - 1:1. Полученную суспензию диспергировали на диспергаторе УЗГ-0.4\22 в течение 5 мин. После обработки была получена однородная суспензия Mg²⁺ - абсорбированных частиц графена. Суспензия являлась седиментационно-устойчивой и не оседала. Полученную суспензию сливали в емкость, где расположены положительно и отрицательно заряженные электроды. Обрабатываемое изделие из металла подсоединяли к отрицательному полюсу источника постоянного тока, а графитовый электрод диаметром 1-15 мм - к положительному. Процесс электрофоретического осаждения наночастиц графена проводили при напряжении 80-100 В, плотности тока 2,5 мА/см ², время обработки 5-10 мин. В результате получено ровное покрытие 4 мг/см². Водородный показатель суспензии рН 5,38-5,39.

Пример 2. Условия приготовления суспензии и процесс электрофоретического осаждения аналогично примеру 1. Обрабатываемое изделие из стекла соединялось с отрицательным полюсом источника постоянного тока. В жидкую часть суспензии добавляли 0,002 г щелочного металла, например Na. При взаимодействии изопропилого спирта со щелочным металлом образуется неустойчивое вещество (алкоголят), легко распадающееся на ионы. Водородный показатель суспензии рН 5,4-5,5. В результате получено ровное покрытие 5 мг/см².

Пример 3. Условия приготовления суспензии и процесс электрофоретического осаждения аналогично примеру 1.

Обрабатываемое изделие из оптического элемента светодиода соединялось с отрицательным полюсом источника постоянного тока. В жидкую часть суспензии добавляли 0,003 г щелочного металла, например Na. При взаимодействии изопропилого спорта со щелочным металлом образуется неустойчивое вещество (алкоголят), легко распадающееся на ионы. Водородный показатель суспензии рН 5,4-5,5. В результате получено ровное покрытие 6 мг/см².

Пример 4. Условия приготовления суспензии и процесс электрофоретического осаждения аналогично примеру 1.

Обрабатываемое изделие из пластмассы соединялось с отрицательным полюсом источника постоянного тока. В жидкую часть суспензии добавляли 0,004 г щелочного металла, например Na. При взаимодействии изопропилого спорта со щелочным металлом образуется неустойчивое вещество (алкоголят), легко распадающееся на ионы. Водородный показатель суспензии рН 5,5-6,5. В результате получено ровное покрытие 7 мг/см².

Пример 5. Условия приготовления суспензии и процесс электрофоретического осаждения аналогично примеру 1.

Обрабатываемое изделие из резины соединялось с отрицательным полюсом источника постоянного тока. В жидкую часть суспензии добавляли 0,005 г щелочного металла, например Na. При взаимодействии изопропилого спорта со щелочным металлом образуется неустойчивое вещество (алкоголят), легко распадающееся на ионы. Водородный показатель суспензии рН 7,5-8. В результате получено ровное покрытие 8 мг/см².

Пример 6. Условия приготовления суспензии и процесс электрофоретического осаждения аналогично примеру 1.

Обрабатываемое изделие из керамики соединялось с отрицательным полюсом источника постоянного тока. В жидкую часть суспензии добавляли 0,006 г щелочного металла, например Na. При взаимодействии изопропилого спорта со щелочным металлом образуется неустойчивое вещество (алкоголят), легко распадающееся на ионы. Водородный показатель суспензии рН 8-9. В результате получено ровное покрытие 9 мг/см².

Использование способа позволяет повысить качество защитных покрытий из графена на материалы с различными физико-химическими свойствами.

1. Способ электрофоретического формирования покрытий из графена, включающий получение наночастиц графена, приготовление ионизированной суспензии с наночастицами графена на основе спиртового раствора, введение суспензии в емкость с электродами и осаждение наночастиц графена под действием постоянного тока с формированием графенового покрытия на изделиях, отличающийся тем, что упомянутую суспензию готовят с водородным показателем 5-12 рН, а покрытие формируют под действием постоянного тока плотностью 2,5 мА/см² и напряжением 80-110 В.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при формировании графенового покрытия на металлических изделиях используют суспензию с водородным показателем 5,4-5,5 рН при напряжении 80 В.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при формировании графенового покрытия на стеклянные изделия используют суспензию с водородным показателем 5,5-6,5 рН при напряжении 90 В.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при формировании графенового покрытия на резиновые изделия используют суспензию с водородным показателем 7,5-8,0 рН при напряжении 100 В.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при формировании графенового покрытия на керамические изделия используют суспензию с водородным показателем 8,0-12,0 рН при напряжении 110 В.