Ηλεκτρολυτική συναπόθεση νανοσωματιδίων TiO2 σε μήτρα Sn-Ni

Abstract

Τα τελευταία χρόνια όλο και περισσότεροι ερευνητές προσανατολίζονται στην μελέτη και ανάπτυξη νανο-σύνθετων υλικών καθώς ο συνδυασμός των συστατικών τους στοιχείων σε επίπεδο νάνο-κλίμακας μπορεί να αποδώσει νέα υλικά με μοναδικές και βελτιωμένες ιδιότητες σε σχέση με τα ομόλογα συστατικά τους. Η ανάπτυξη της τεχνολογίας παραγωγής σύνθετων ηλεκτρολυτικών επικαλύψεων μεταλλικής μήτρας με ενίσχυση σωματιδίων TiO2 στοχεύει κυρίως στη βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων των μεταλλικών αποθεμάτων αλλά και στη διερεύνηση της αξιοποίησης των φωτοηλεκτροχημικών και φωτοκαταλυτικών ιδιοτήτων που αυτά παρουσιάζουν, εξαιτίας της παρουσίας της τιτανίας στο μεταλλικό πλέγμα. Η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια της ανάπτυξης καινοτόμων αυτοκαθαριζόμενων-αντιμικροβιακών επιφανειών υψηλής αισθητικής και αντοχής. Η αυτοκαθαριζόμενη δράση βασίζεται στις φωτο-επαγόμενες ιδιότητες των νάνο-σωματιδίων TiO2 (φωτοκατάλυση), αφού ενσωματωθούν σε μεταλλική κραματική μήτρα Sn-Ni, υπό συνθήκες UV (υπεριώδους) ακτινοβολίας. Μελετήθηκε η παρασκευή σύνθετων ηλεκτρολυτικών επικαλύψεων Sn-Ni/νανο-TiO2 (μέσης διαμέτρου 21nm, Evonik P25), από εμπορικό λουτρό GalvaLoy NS11 κατά την εφαρμογή τόσο συνεχούς όσο και παλμικού ρεύματος σταθερής φοράς σε μια ευρεία κλίμακα συνθηκών (J: 0.5-5 A dm-2, συγκέντρωση σωματιδίων TiO2 στο λουτρό: 0-30 g L-1). Αποθέματα καθαρού Sn-Ni παρασκευάστηκαν επίσης, κάτω από τις ίδιες πειραματικές συνθήκες, προκειμένου να συγκριθούν με τα σύνθετα αποθέματα. Στόχος της εργασίας αυτής είναι ο χαρακτηρισμός των σύνθετων αυτών υλικών, ως προς τις δομικές τους ιδιότητες, τη μορφολογία τους, την κατανομή και τη διασπορά των νανο-σωματιδίων στη μήτρα, καθώς και ο προσδιορισμός της επίδρασης του εγκλεισμού των νανοσωματιδίων TiO2 τόσο στις μηχανικές / χημικές (σκληρότητα, τραχύτητα, αντοχή σε τριβή και διάβρωση), όσο και στις φωτοεπαγόμενες (φωτοκατάλυση - υδροφιλικότητα) ιδιότητες των σύνθετων αυτών επικαλύψεων. Τα αποτελέσματα έδειξαν πως τα καθαρά και τα σύνθετα αποθέματα στο σύνολό τους χαρακτηρίζονται από την παρουσία της μετασταθούς ένωσης NiSn, ενώ η εφαρμογή υψηλών τιμών πυκνότητας ρεύματος οδηγεί στην αύξηση της έντασης των κορυφών κασσσιτέρου και επομένως και του ποσοστού Sn στο κράμα με αποτέλεσμα να λαμβάνονται και μικρότερες τιμές μικροσκληρότητας. Η αύξηση της συγκέντρωσης της TiO2 στον ηλεκτρολύτη προκαλεί μεταβολή στο πλέγμα των κόκκων Sn-Ni της μήτρας, αύξηση στο ποσοστό ενσωμάτωσης των νανο-σωματιδίων στο απόθεμα και αύξηση του μέσου μεγέθους των κρυσταλλιτών της επικάλυψης. Το ποσοστό ενσωμάτωσης των νανο-σωματιδίων TiO2 στη μήτρα δεν παρουσιάζει σημαντικές μεταβολές με την εφαρμογή του παλμικού ρεύματος έναντι του συνεχούς, όμως επιδρά στην επιτάχυνση της φωτοκαταλυτικής δράσης των σύνθετων επιακλύψεων. Τα αποθέματα με τη βέλτιστη αναλογία Sn-Ni (65-35% κ.β.) είναι αυτά που παρασκευάστηκαν με τη χρήση παλμικού ρεύματος με χαμηλές τιμές συχνότητας (0.1,1,10Hz) και για χαμηλές τιμές πυκνότητας ρεύματος. Τα δείγματα αυτά παρουσίασαν σχετικά καλή αντοχή στην (ξηρή) τριβή ολίσθησης και διάβρωσης.

recent years more and more researchers are oriented in the study and development of nano-composites, as the combination of its components at the nano-scale can yield new materials with unique and improved properties compared to the constituent ingredients. The development of metal matrix electrolytic coatings with embedded TiO2 nanoparticles have attracted considerable interest in research and technological level as it seems to satisfy the requirements for both enhanced mechanical properties, such as high hardness, abrasion and corrosion resistance, and photocatalytic properties. The master thesis was part of the development of novel self cleaning – antibacterial coatings of high aesthetics and durability based on the photocatalytic properties of TiO2 nano-particles, immobilized in Sn-Ni matrix that will be able to operate in UV-light. Nanocomposite coatings were obtained by electrochemical codeposition of TiO2 nano-particles (mean diameter 21 nm, Evonik P25), from a commercial electrolyte GalvaLoy NS11. Pure Sn-Ni and composite Sn-Ni/TiO2 coatings were electrolytically deposited under both DC and PC conditions and an extended region of electrolysis conditions (J: 0.5-5 A dm-2, TiO2 loading in the bath: 0-30 g L-1). Pure Sn-Ni deposits were produced under the same experimental conditions for comparison. The surface morphology and the grain size of the deposits were investigated, along with the distribution and the percentage, of the embedded nano-particles in Sn-Ni matrix, as a function of current density, concentration of TiO2 nano-particles in the bath and thickness of the deposits. The aim of the study was to correlate the observed structural characteristics of the coatings with the resulting mechanical (microhardness, tribological behavior, corrosion resistance) and photo-induced (photocatalysis and hydrophilicity) properties. The results showed that both the pure and the composite deposits are characterized by the metastable phase NiSn. High current density increases the content of Sn in the alloy, resulting to low values of microhardness. The increase of the TiO2 content in the electrolyte induces: changes in the lattice parameters of the crystallites in the alloy matrix, increases the codeposition TiO2 in the deposit and also increases the average grain size of the deposit crystallites. The codeposition of TiO2 nanoparticles in the matrix doesn’t show significant changes with the application of pulse current mode, but seems to affect the acceleration of the photocatalytic activity of the composite deposits. The deposits with the best ratio Sn-Ni (65-35% w.t.), were prepared by applying pulse current at low frequency values (0.1, 1, 10 Hz) and low current densities. These samples demonstrate relatively good resistance on (dry) sliding friction and corrosion.