Revestimento metálico-composto sem banho localizado via Eletrostamping
Summary
Apresentado aqui é um protocolo de eletroplaca sem banho, onde uma pasta de sal metálico estagnada contendo partículas compostas são reduzidas a formar compósitos metálicos em alta carga. Este método aborda os desafios enfrentados por outras formas comuns de eletroplaca (jato, escova, banho) de incorporar partículas de compósitos na matriz metálica.
Abstract
O revestimento composto com partículas incorporadas na matriz metálica pode melhorar as propriedades do revestimento metálico para torná-lo mais ou menos condutor, duro, durável, lubrificado ou fluorescente. No entanto, pode ser mais desafiador do que o revestimento metálico, porque as partículas compostas são ou 1) não são carregadas para que não tenham uma forte atração eletrostática ao cátodo, 2) são higroscópicas e são bloqueadas por uma concha de hidratação, ou 3) muito grandes para permanecer estagnadas no cátodo enquanto mexem. Aqui, descrevemos os detalhes de um método de revestimento sem banho que envolve placas de níquel de ânodo e cátodo sanduiche de uma pasta de eletrólito concentrada aquosa contendo grandes partículas fosforescentes higroscópicas e uma membrana hidrofílica. Depois de aplicar um potencial, o níquel metálico é depositado em torno das partículas de fósforo estagnadas, prendendo-as no filme. Os revestimentos compostos são caracterizados por microscopia óptica para rugosidade de filme, espessura e carregamento de superfície composta. Além disso, a espectroscopia de fluorescência pode ser usada para quantificar o brilho da iluminação desses filmes para avaliar os efeitos de várias densidades atuais, duração do revestimento e carregamento de fósforo.
Introduction
A eletroplaca tradicional é amplamente utilizada para depositar filmes finos de uma variedade de metais, ligas e compósitos metálicos em superfícies condutoras para funcionalizá-los para a aplicação pretendida1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. Este método adiciona um acabamento metálico às peças utilizadas na fabricação de equipamentos aeroespaciais, automotivos, militares, médicos e eletrônicos. O objeto a ser banhado, o cátodo, está submerso em um banho aquoso contendo precursores de sal metálico, que são reduzidos a metal na superfície do objeto pela aplicação de um potencial químico ou elétrico. Partículas compostas não carregadas podem ser incorporadas à película metálica adicionando-as ao banho durante o revestimento para melhorar as propriedades do filme para maior dureza no caso de óxidos metálicos e carbonetos, suavidade com polímeros ou lubrificação com óleos líquidos12,13. No entanto, como essas partículas não têm uma atração inerente ao cátodo, a proporção de composto que é incorporado ao metal permanece baixa para o revestimento do banho13,14,15. Isso é especialmente problemático para grandes partículas que não adsorb para o cátodo tempo suficiente para ser incorporado pelo filme de metal em crescimento. Além disso, as partículas higroscópicas solvate em soluções aquosas e sua concha de hidratação atua como uma barreira física impedindo o contato com o cátodo16.
Alguns métodos promissores têm sido mostrados para mitigar esse efeito usando solventes não polares secos para remover a barreira de hidratação completamente17, ou decorando as partículas compostas com moléculas de surfactantecarregadas 16 que interrompem a concha de hidratação para permitir o contato entre a partícula e o cátodo. No entanto, como esses métodos envolvem materiais orgânicos, a contaminação de carbono é possível no filme e a quebra desses materiais orgânicos pode ocorrer nos eletrodos. Por exemplo, os solventes orgânicos utilizados (DMSO2 e acetamida) são aquecidos a 130 °C em uma atmosfera inerte para revestimento sem ar; no entanto, descobrimos que eles são instáveis durante o revestimento no ar. Devido ao aquecimento resistivo nos eletrodos, reações redox com materiais orgânicos podem resultar em impurezas ou locais para nucleação heterogênea e crescimento de nanopartículas metálicas18. Como resultado, há a necessidade de um método de eletroplaca aquosa sem orgânicos que atenda ao desafio de longa data da adsorção de partículas-cátodo. Até agora, o revestimento de banho composto metálico foi mostrado para incorporar partículas até alguns micrômetros de diâmetro19 e até 15 % de carregamento16,17.
Em resposta a isso, descrevemos um método de eletrostamping inorgânico sem banho que força partículas compostas a serem incorporadas ao filme em altas coberturas superficiais, apesar de seu grande tamanho e natureza higroscópica20. Ao remover o banho, o processo não envolve recipientes de líquidos de revestimento perigosos e o objeto a ser banhado não precisa ser submerso. Portanto, objetos grandes, incômodos ou sensíveis à água podem ser banhados ou “estampados” em áreas selecionadas com o material composto. Além disso, a remoção do excesso de água requer menos limpeza de resíduos perigosos líquidos.
Aqui, demonstramos este método para produzir filmes de metal fluorescente brilhante co-depositando europium não tóxico e estável a ar e dispônsio dopado, aluminato de estrôncio (87 ± 30 μm) com níquel em cargas altas (até 80%). Isso contrasta com exemplos anteriores que foram banhados em um banho e, portanto, foram limitados a pequenos (nanômetros a alguns micrômetros) fosforros12. Além disso, filmes eletrodepositados anteriormente relatados fluorescem apenas sob luz UV de ondas curtas, com exceção de um relatório recente que cresceu 1 – 5 μm de luminócio aluminato em um filme de alumina com oxidação de eletrólitos de plasma21. Filmes de metal fluorescente podem ter aplicações de longo alcance em muitas indústrias envolvendo ambientes de pouca luz, incluindo iluminação de placa de estrada21,localização de equipamentos de manutenção de aeronaves e identificação20,decorações de automóveis e brinquedos, mensagens invisíveis, autenticação do produto22,iluminação de segurança, identificação de estresse mecanocromômico10 e inspeção visual de desgaste tribológico12,16. Apesar desses usos potenciais para superfícies metálicas brilhantes, este método também poderia ser expandido para incluir partículas compostas grandes e/ou higroscópicas adicionais para produzir uma nova variedade de revestimentos funcionais metal-compostos que anteriormente não eram possíveis via eletroplaca.
Protocol
Representative Results
Discussion
Passos críticos de eletrostamping. O eletrostamping sem banho compartilha muitos dos mesmos passos críticos com a tradicional eletroplaplating de banho. Estes incluem a limpeza adequada dos eletrodos, misturando íons metálicos no eletrólito e aplicando e potencial externo ou químico (revestimento eletroless) para causar redução de metal no cátodo. Além disso, a oxidação do ânodo e do cátodo deve ser evitada após a ativação do ácido, enxaguando rapidamente com água e adicionando esses e…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pelo Programa de Melhoria de Confiabilidade e Manutenção de Equipamentos de Aeronaves e pela Parceria Patuxent. Townsend foi apoiado por uma Bolsa de Pesquisa da Faculdade ONR. Os autores também reconhecem o apoio geral dos professores e alunos do Departamento de Química e Bioquímica da SMCM, incluindo o apoio da equipe de futebol da SMCM.
Materials
| 37% M Hydrochloric Acid (aq) | SigmaAldrich | 320331-500ML | corrosive – handle in fume hood |
| 70% Nitric Acid (aq) | SigmaAldrich | 438073-500ML | corrosive – handle in fume hood |
| Barium magnesium aluminate, europium doped (s) | SigmaAldrich | 756512-25G | fine powder |
| Boric Acid (s) | SigmaAldrich | B6768-500G | toxic |
| Cotton Swab | Q-tips | Q-tips Cotton Swabs | |
| ImageJ | National Institutes of Health | IJ 1.46r | free software |
| Nickel (II) chloride hexahydrate (s) | SigmaAldrich | 223387-500G | toxic |
| Nickel (II) sulfate hexahydrate (s) | SigmaAldrich | 227676-500G | toxic |
| Nickel foil (s) | AliExpress | Ni99.999 | |
| Nitrile gloves | Fisher Scientific | 19-149-863B | |
| nylon membrane (s) | Tisch Scientific | RS10133 | |
| Optical Microscope equipped with FTIC filter (470 ± 20 nm) | Nikon | Eclipse 80i | |
| Plastic Wrap | Fisher Scientific | 22-305654 | |
| Porcelain Mortar | Fisher Scientific | FB961A | |
| Porcelain Pestle | Fisher Scientific | FB961K | |
| Potassium Hydroxide (s) | SigmaAldrich | 221473-25G | corrosive |
| Potentiostat with platinum wire | Gamry Instruments | 1000E | |
| Scoopula | Fisher Scientific | 14-357Q | |
| Spectrofluorometer | Photon Technology International | QM-40 | |
| Strontium aluminate, europium and dysprosium doped (s) | GloNation | 756539-25G | powder |
| Variable linear DC power supply | Tekpower | TP3005T | |
| Yttrium oxide, europium doped (s) | SigmaAldrich | 756490-25G | fine powder |
Referências
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