Revestimiento de metal compuesto sin baño localizado a través de Electrostamping
Summary
Aquí se presenta un protocolo de galvanoplastia sin baño, donde una pasta de sal metálica estancada que contiene partículas compuestas se reducen para formar compuestos metálicos a alta carga. Este método aborda los desafíos a los que se enfrentan otras formas comunes de galvanoplastia (jet, cepillo, baño) de partículas compuestas de incrustación en la matriz de metal.
Abstract
El chapado compuesto con partículas incrustadas en la matriz metálica puede mejorar las propiedades del recubrimiento metálico para hacerlo más o menos conductivo, duro, duradero, lubricado o fluorescente. Sin embargo, puede ser más difícil que el chapado de metal, porque las partículas compuestas son 1) no están cargadas por lo que no tienen una fuerte atracción electrostática al cátodo, 2) son higroscópicas y están bloqueadas por una cáscara de hidratación, o 3) demasiado grandes para permanecer estancadas en el cátodo mientras se agita. Aquí, describimos los detalles de un método de chapado sin baño que involucra placas de níquel de ánodo y cátodo que intercalan una pasta de electrolito concentrado acuoso que contiene grandes partículas fosforescentes higroscópicas y una membrana hidrófila. Después de aplicar un potencial, el metal de níquel se deposita alrededor de las partículas de fósforo estancadas, agarrándolas en la película. Los recubrimientos compuestos se caracterizan por la microscopía óptica para la rugosidad de la película, el espesor y la carga de superficies compuestas. Además, la espectroscopia de fluorescencia se puede utilizar para cuantificar el brillo de iluminación de estas películas para evaluar los efectos de diversas densidades de corriente, duración del recubrimiento y carga de fósforo.
Introduction
La galvanoplastia tradicional se utiliza ampliamente para depositar películas delgadas de una variedad de metales, aleaciones y metalcompuestos en superficies conductoras para funcionalizarlas para la aplicación prevista1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. Este método añade un acabado metálico a las piezas utilizadas en la fabricación de equipos aeroespaciales, automotrices, militares, médicos y electrónicos. El objeto a chapar, el cátodo, se sumerge en un baño acuoso que contiene precursores de sal metálica, que se reducen a metal en la superficie del objeto mediante la aplicación de un potencial químico o eléctrico. Las partículas compuestas no cargadas se pueden incorporar a la película metálica añadiéndolas al baño durante el recubrimiento para mejorar las propiedades de la película para una mayor dureza en el caso de óxidos metálicos y carburos, suavidad con polímeros o lubricación con aceites líquidos12,13. Sin embargo, debido a que estas partículas carecen de una atracción inherente al cátodo, la relación de compuesto que se incorpora en el metal sigue siendo baja para el revestimiento de baño13,14,15. Esto es especialmente problemático para las partículas grandes que no se adsorben al cátodo el tiempo suficiente para ser incrustadas por la película de metal en crecimiento. Además, las partículas higroscópicas se solvan en soluciones acuosas y su caparazón de hidratación actúa como una barrera física que impida el contacto con el cátodo16.
Se ha demostrado que algunos métodos prometedores mitigan este efecto mediante el uso de disolventes secos no polares para eliminar la barrera de hidratación por completo17,o mediante la decoración de las partículas compuestas con moléculas tensioactivas cargadas16 que interrumpen la cáscara de hidratación para permitir el contacto entre la partícula y el cátodo. Sin embargo, debido a que estos métodos implican materiales orgánicos, la contaminación por carbono es posible en la película y la descomposición de estos materiales orgánicos podría ocurrir en los electrodos. Por ejemplo, los disolventes orgánicos utilizados (DMSO2 y acetamida) se calientan a 130 oC en una atmósfera inerte para recubrimiento sin aire; sin embargo, nos pareció inestables durante el recubrimiento en el aire. Debido al calentamiento resistivo en los electrodos, las reacciones redox con materiales orgánicos pueden dar lugar a impurezas o sitios para la nucleación heterogénea y el crecimiento de nanopartículas metálicas18. Como resultado, hay una necesidad de un método de galvanoplastia acuosa libre de orgánicos que aborde el desafío de larga data de la adsorción de cátodos de partículas. Hasta ahora, se ha demostrado que el recubrimiento de baño compuesto metálico incrusta partículas de hasta unos pocos micrómetros de diámetro19 y hasta un 15 % de cargade 16,17.
En respuesta a esto, describimos un método inorgánico de electrostamping sin baño que obliga a las partículas compuestas a incrustarse en la película a altas coberturas superficiales a pesar de su gran tamaño y naturaleza higroscópica20. Al retirar el baño, el proceso no implica recipientes de líquidos de recubrimiento peligrosos y el objeto a chapar no necesita ser sumergido. Por lo tanto, los objetos grandes, engorrosos o sensibles a la corrosión o al agua, pueden ser chapados o “estampados” en áreas seleccionadas con el material compuesto. Además, la eliminación del exceso de agua requiere menos limpieza de los residuos líquidos peligrosos.
Aquí, demostramos este método para producir películas metálicas fluorescentes brillantes mediante el co-depósito de europio no tóxico y estable en el aire y disponía dopado, alúmina de estroncio (87 ± 30 m) con níquel a cargas altas (hasta 80%). Esto contrasta con ejemplos anteriores que estaban chapados en un baño y por lo tanto se limitaban a pequeños fósforos (nanómetros a unos pocos micrómetros)12. Además, las películas electrodepositadas previamente reportadas sólo fluorescente bajo luz UV de onda corta, con la excepción de un informe reciente que creció 1 – 5 m cristales de aluminato de estroncio luminiscente en una película de alúmina con oxidación de electrolitos plasmáticos21. Las películas metálicas fluorescentes podrían tener aplicaciones de gran alcance en muchas industrias que impliquen entornos de luz de carretera, incluida la iluminación de señales de carretera21, la ubicación de los equipos de mantenimiento de aeronaves y la identificación20,decoraciones de automóviles y juguetes, mensajes invisibles, autenticación de productos22,iluminación de seguridad, identificación de tensión mecanocócromática10 e inspección visual del desgaste tribológico12,16. A pesar de estos usos potenciales para superficies metálicas brillantes, este método también podría ampliarse para incluir partículas compuestas grandes y/o higroscópicas adicionales para producir una nueva variedad de recubrimientos funcionales compuestos metálicos que antes no eran posibles a través de la galvanoplastia.
Protocol
Representative Results
Discussion
Pasos críticos de electrostamping. El electrostamping sin baño comparte muchos de los mismos pasos críticos con la galvanoplastia de baño tradicional. Estos incluyen la limpieza adecuada de los electrodos, la mezcla de iones metálicos en el electrolito y la aplicación y el potencial externo o químico (placado electro sin válvula) para causar la reducción de metal en el cátodo. Además, la oxidación del ánodo y el cátodo debe evitarse después de la activación del ácido enjuagando rápidame…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por el Programa de Mejora de la Confiabilidad y Mantenimiento de los Equipos de Aeronaves y la Asociación Patuxent. Townsend fue apoyado por una Beca de Investigación Docente de la ONR. Los autores también reconocen el apoyo general de los profesores y estudiantes del Departamento de Química y Bioquímica smCM, incluido el apoyo del equipo de fútbol 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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