CC BY
41
5. Watarai H. Microemulsions in separation sciences // Journal of Chromatography A. 1997. Vol. 780. P. 93-102.
Сведения об авторах Полякова Анастасия Сергеевна
аспирант, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, [email protected] Купцова Марина Юрьевна
магистрант, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, [email protected] Мурашова Наталья Михайловна
кандидат химических наук, доцент, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, [email protected] Юртов Евгений Васильевич
член-корреспондент РАН, доктор химических наук, профессор, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, [email protected]
Polyakova Anastasia Sergeevna
Postgraduate Student, D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow,
Kuptsova Marina Yurievna
Master Student, D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow,
Murashova Natalya Mikhailovna
PhD (Chem.), Associate Professor, D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, [email protected] Yurtov Evgeniy Vasilievich
Corresponding Member of RAS, Dr. Sci. (Chem.), Professor, D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, [email protected]
РСН: 10.25702/К8С.2307-5252.2019.10.1.285-290 УДК 544.72
А. С. Полякова, П. Е. Тюлягин, Н. М. Мурашова, Е. В. Юртов
Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, Россия
ОБРАТНЫЕ МИКРОЭМУЛЬСИИ КАК ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ НАНОМАТЕРИАЛ ДЛЯ ХИМИЧЕСКОГО ПОЛИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ
Аннотация. Рассматривается применение обратных микроэмульсий ди-(2-этилгексил)фосфата натрия, бис-(2-этилгексил)сульфосукцината натрия, додецилсульфата натрия, содержащих кислоты, для химического полирования металлов на примере алюминия.
Ключевые слова: обратная микроэмульсия, химическое полирование, наноструктурированные среды.
A. S. Polyakova, P. E. Tyluagin, N. M. Murashova, E. V. Yurtov
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
REVERSE MICROEMULSIONS AS A FUNCTIONAL NANOMATERIAL FOR THE CHEMICAL POLISHING OF METALS
Abstract. The subject of this paper is the application of acid-containing reverse microemulsions of sodium bis-(2-ethylhexyl)phosphate, sodium bis-(2-ethylhexyl)sulfosucsinate, sodium dodecyl sulfate in the chemical polishing of metals on the example of aluminium.
Keywords: reverse microemulsion, chemical polishing, nanostructured media.
Наноструктурированные жидкие среды, такие как обратные микроэмульсии, могут использоваться для разработки и усовершенствования технологических процессов, происходящих в системах «жидкость — твердая фаза». К таким процессам можно отнести извлечение металлов с помощью экстрагентсодержащих микроэмульсий [1, 2], а также химическое полирование. Химическое полирование металлов — это способ снижения шероховатости поверхности с помощью реагентов, растворяющих металл. Часто для химического полирования применяют смеси концентрированных кислот с небольшим количеством воды. При этом результат полирования улучшается при наличии вязкого диффузионного слоя рядом с поверхностью металла, который способствует растворению выступов на поверхности и затрудняет доступ реагента к углублениям [3].
Микроэмульсии — термодинамически устойчивые изотропные дисперсии неполярной органической и водной фаз, стабилизированные поверхностно-активным веществом (веществами). Диаметр капель микроэмульсии составляет от нескольких до десятков нанометров. Микроэмульсию типа «вода в масле» (обратную микроэмульсию) можно использовать как носитель реагентов для травления химического полирования металлов [4, 5]. Если реагент будет локализован внутри капель микроэмульсии, то можно снизить его суммарную концентрацию в полирующей жидкости (микроэмульсии), а также добиться лучшего эффекта полирования за счет диффузионных ограничений.
Целью данной работы было исследование химического полирования металлов на примере алюминия с помощью обратных микроэмульсий ди-(2-этилгексил)фосфата натрия (Д2ЭГФ№), бис-(2-этилгексил)сульфосукцината натрия (АОТ) и додецилсульфата натрия (ДСН), содержащих кислоты, растворяющие металл.
Для того чтобы подобрать состав микроэмульсии для химического полирования, была определена солюбилизационная ёмкость микроэмульсий в системах Д2ЭГФ№ — трибутилфосфат — керосин — водный раствор кислоты, АОТ — керосин — водный раствор кислоты и ДСН — бутанол-1 — керосин — водный раствор кислоты. В состав микроэмульсий вводили водные растворы соляной, азотной, фосфорной и уксусной кислот. Показано, что микроэмульсия на основе Д2ЭГФ№ (Сд2эгфш = 1,22 моль/л) способна содержать до 0,091 моль/л HCl, до 0,073 моль/л HNO3 и до 0,310 моль/л CH3COOH. Микроэмульсия на основе АОТ (Слот = 1,24 моль/л) может солюбилизировать до 0,156 моль/л HCl и до 3,88 моль/л CH3COOH. Микроэмульсия на основе ДСН способна включать не менее 5,0 моль/л CH3COOH и не менее 0,5 моль/л H3PO4.
Методом динамического светорассеяния с помощью анализатора размера частиц ZetaSizerNano (Malvern, Великобритания) было определено, что гидродинамические диаметры капель микроэмульсий Д2ЭГФ№, АОТ и ДСН, содержащих водные растворы кислот, находятся в диапазоне 10-15 нм.
Химическое полирование проводили в закрытом сосуде при температуре 80 °С и при механическом перемешивании (300 об/мин) в течение 2 ч. После полирования поверхность металла очищали от адсорбировавшихся поверхностно-активных веществ последовательным промыванием пластинки в гексане, этиловом спирте и воде. Результаты полирования сравнивали с контрольным образцом — пластинкой, последовательно промытой в гексане, этаноле и воде.
Поверхность алюминиевой фольги до и после полирования микроэмульсиями Д2ЭГФ№ и АОТ анализировали методом атомно-силовой спектроскопии (АСМ) на атомно-силовом микроскопе Ntegra Prima (NT-MDT, Россия, Зеленоград). Использовался кантилевер HA_NC Etalon (NT-MDT, Россия). Режим работы полуконтактный.
Было получено, что при химическом полировании алюминиевой фольги микроэмульсией в системе Д2ЭГФ№ — трибутилфосфат — керосин — водный раствор кислоты (HCl, HNO3 или CH3COOH, Ск-ты = 0,026 моль/л) средняя шероховатость поверхности уменьшается с 54 до 29-30 нм независимо от природы используемой кислоты. Химическое полирование алюминия микроэмульсией в системе АОТ — керосин — водный раствор CH3COOH показало, что при Cch3cooh = 0,026 моль/л изменения шероховатости через 2 ч полирования не происходит, в то время как при Cch3cooh = 0,10 моль/л средняя шероховатость поверхности алюминия уменьшается. При использовании микроэмульсии в системе АОТ — керосин — водный раствор HCl происходило растравливание поверхности алюминия, что приводило к увеличению её средней шероховатости.
Была изучена возможность использования микроэмульсий на основе ДСН, содержащих уксусную и фосфорную кислоту, для химического полирования алюминиевой фольги, а также технического алюминия. Поверхность металла до и после полирования микроэмульсией ДСН анализировали на микроинтерферометре МИИ-4. Исследуемый образец облучался красным монохроматическим светом с длиной волны 600 нм. Фотографическим методом получали профилограммы поверхности образца с базовой длиной измерения 2 мм. Для каждой профилограммы была определена средняя арифметическая шероховатость по стандарту ISO 4287-1:1984, по которой рассчитывали средневзвешенное значение шероховатости по всей базовой длине измерения. Различие значений средней шероховатости поверхности образца пищевой алюминиевой фольги до травления, определённых с помощью АСМ и микроинтерферометра, обусловлено тем, что при использовании АСМ расчёт шероховатости проводится только по высотам, а при использовании микроинтерферометра в расчёте учитываются как высоты, так и впадины.
На рисунке показаны профилограммы, а в таблице приведены значения средней шероховатости поверхности алюминиевой фольги и технического алюминия до и после полирования в течение 2 ч микроэмульсиями в системе ДСН — бутанол-1 — керосин — водный раствор кислоты.
Профилограммы поверхности: технического алюминия до полирования (а) и после полирования микроэмульсией, содержащей 0,2 моль/л H3PO4 (б), после полирования микроэмульсией, содержащей 0,5 моль/л H3PO4 (в), после полирования микроэмульсией, содержащей 1,0 моль/л H3PO4 (г), после полирования микроэмульсией, содержащей 5,0 моль/л CH3COOH (д), и алюминиевой фольги (е — до полирования; ж — после полирования микроэмульсией, содержащей 0,2 моль/л H3PO4). Время полирования 2 ч Profilograms of technical aluminum surface (а — before polishing; б — after polishing with a microemulsion containing 0,2 mol/l H3PO4; в — after polishing with
a microemulsion containing 0,5 mol/l H3PO4; г — after polishing with a microemulsion containing 1,0 mol/l H3PO4; д — after polishing with a microemulsion containing 5,0 mol/l CH3COOH) and aluminum foil (e — before polishing; ж — after polishing with a microemulsion containing 0,2 mol/l H3PO4). Polishing time is 2 hours
Средняя шероховатость поверхности алюминия после травления обратной микроэмульсией в системе додецилсульфат натрия — бутанол-1 — керосин — водный раствор кислоты The average surface roughness of aluminum after etching with a reverse microemulsion in the system of sodium dodecyl sulfate — butanol-1 — kerosene — aqueous acid solution
Материал Кислота Концентрация кислоты в водной фазе микроэмульсии, моль/л Средняя арифметическая шероховатость Ra, нм
Технический алюминий Контроль - 253
H3PO4 0,2 243
0,5 245
1,0 310
CH3COOH 5,0 253
Фольга алюминиевая пищевая Контроль - 97
H3PO4 0,2 67
0,5 Пластинка растворилась
Как видно из полученных данных, шероховатость поверхности алюминия снижается при полировании микроэмульсией додецилсульфата натрия, содержащей фосфорную кислоту. Применение уксусной кислоты в качестве полирующего агента даже с концентрацией 5,0 моль/л оказалось неэффективным, средняя шероховатость поверхности алюминия не изменялась. Средняя шероховатость поверхности технического алюминия после обработки микроэмульсией, содержащей фосфорную кислоту, зависит от концентрации кислоты незначительно в диапазоне концентраций 0,2-0,5 моль/л, а при более высокой концентрации кислоты (1,0 моль/л) происходило растравливание поверхности, при этом исчезла регулярность профиля поверхности. Полирование пищевой алюминиевой фольги эффективно при использовании микроэмульсии, содержащей 0,2 моль/л фосфорной кислоты, однако при использовании микроэмульсии, содержащей 0,5 моль/л фосфорной кислоты, пластинка полностью растворялась за 2 ч полирования. Исходя из этого следует отметить, что одним из начальных условий, которое влияет на результат полирования, является морфология поверхности металла.
Изо всех изученных составов микроэмульсии наиболее эффективными для химического полирования оказались следующие: микроэмульсия Д2ЭГФNa, содержащая в водной фазе 0,026 моль/л соляной, азотной, либо уксусной кислоты; микроэмульсия АОТ, содержащая в водной фазе 0,10 моль/л уксусной кислоты; микроэмульсия ДСН, содержащая в водной фазе 0,2-0,5 моль/л фосфорной кислоты.
Таким образом, можно отметить, что результат химического полирования алюминия с помощью микроэмульсий зависит как от природы используемых для получения микроэмульсии ПАВ и кислоты, так и от морфологии поверхности, подвергающейся обработке. Полученные результаты являются основой для разработки составов микроэмульсий, пригодных для химического полирования металлов.
Литература
1. Murashova N. M., Levchishin S. Yu., Yurtov E. V. Leaching of metals with microemulsions containing bis-(2-ethylhexyl)phosphoric acid or tributilphosphate // Hydrometallurgy. 2018. Vol. 175. P. 278-284.
2. Юртов Е. В., Мурашова Н. М. Выщелачивание металлов экстрагентсодержащими микроэмульсиями // Химическая технология. 2010. № 8. С.479-483.
3. Грилихес С. Я. Электрохимическое и химическое полирование: теория и практика. Влияние на свойства металлов. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. 232 с.
4. Huang Y.-J., Yates M. Z. Copper etching by water-in-oil microemulsions // Colloid and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects. 2006. No. 281. P. 215-220.
5. Изменение шероховатости поверхности никеля под действием микроэмульсии ди-(2-этилгексил)фосфата натрия, содержащей соляную кислоту / С. Ю. Левчишин и др. // Успехи в химии и химической технологии. 2014. Т. 28, № 6. С. 58-60.
Сведения об авторах
Полякова Анастасия Сергеевна
аспирант, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, [email protected] Тюлягин Пётр Егорович
магистрант, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, [email protected]
Мурашова Наталья Михайловна
кандидат химических наук, доцент, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, [email protected] Юртов Евгений Васильевич
член-корреспондент РАН, доктор химических наук, профессор, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, [email protected]
Polyakova Anastasia Sergeevna
Postgraduate Student, D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow,
Tyluagin Pyotr Egorovich
Master Student, D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, [email protected]
Murashova Natalya Mikhailovna
PhD (Chem.), Associate Professor, D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, [email protected] Yurtov Evgeniy Vasilievich
Corresponding Member of RAS, Dr. Sci. (Chem.), Professor, D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, [email protected]
