Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Badania wpływu budowy i modyfikacji powierzchni na właściwości tribologiczne powłok ditlenku tytanu otrzymywanych metodą zol-żel

Piwoński I.

Zeszyty Naukowe. Rozprawy Naukowe / Politechnika Łódzka

|

2012

|

Z. 433

1--198

PL

Struktura niniejszej rozprawy habilitacyjnej jest oparta na trzech częściach. Pierwsza z nich przedstawia przegląd dostępnej literatury dotyczącej właściwości tribologicznych powłok ditlenku tytanu. Druga część przedstawia najważniejsze osiągnięcia autora na polu badań tribologicznych cienkich powłok ditlenku tytanu otrzymywanych metodą zol-żel. Łącznikiem między nimi jest zwięzły opis przygotowania powłok, metod ich modyfikacji i zastosowanych technik eksperymentalnych. Przeprowadzony przegląd literatury pozwolił na wysunięcie wniosku, że właściwości tribologiczne ditlenku tytanu, materiału powszechnie stosowanego jako składnik nowoczesnych materiałów, nie zostały dostatecznie poznane. Pomimo rosnącej liczby publikacji dotyczących ditlenku tytanu stosunkowo mało z nich dotyczy ich właściwości tarciowych. Praca którą trzymacie Państwo w rękach wypełnia tę lukę. Jednocześnie praca ta stanowi wkład w pogłębienie wiedzy o właściwościach tribologicznych powłok ditlenku tytanu otrzymywanych metodą zol-żel. Celem pracy było zbadanie czynników wpływających na właściwości tribologiczne powłok ditlenku tytanu wytwarzanych na płytkach krzemowych z zastosowaniem metody zol-żel. Metoda ta pozwala na optymalizację i przygotowanie powłok ditlenku tytanu w powtarzalny sposób o ustalonych właściwościach. Należy podkreślić, że testy tarciowe prowadzono na mikrotribometrze - aparacie pracującym w zakresie obciążeń miliniutonów. Był on specjalnie zaprojektowany i zbudowany do badań tribologicznych cienkich powłok ceramicznych. Ten innowacyjny aparat powstał wg projektu dr. hab. Grzegorza Celichowskiego z Katedry Technologii i Chemii Materiałów Uniwersytetu Łódzkiego oraz został skonstruowany we współpracy z Instytutem Technologii Eksploatacji w Radomiu. Topografię oraz fizykochemiczne właściwości powłok były także charakteryzowane z zastosowaniem takich technik jak mikroskopia sił atomowych (AFM), spektroskopia w podczerwieni, mikroskopia optyczna i inne techniki. W części eksperymentalnej przedstawiono charakterystykę tribologiczną powłok ditlenku tytanu o grubości do 100 nm. Przedyskutowano wpływ temperatury wygrzewania powłok na ich strukturę i właściwości tribologiczne. Powłoki wygrzewano w 100°C, 500°C i 1000°C. W wyniku wygrzewania powstaje odpowiednio materiał amorficzny oraz tworzą się fazy anatazu i rutylu. Najniższy współczynnik tarcia technicznie suchego zarejestrowany dla styku tarciowego: powłoka zbudowana z rutylu - kulka cyrkonowa, wynosił około μ = 0,2. Jest to mniej niż w przypadku powłok wygrzewanych w temperaturze 100°C i 500°C. Powłoki wygrzewane w 1000°C wykazują również bardzo dobrą odporność na zużycie. Dobre właściwości tribologiczne powłok wygrzewanych w 500°C i 1000°C wynikają z powstawania twardych faz anatazu i rutylu oraz zwiększonej adhezji powłoki do podłoża. Następnie przebadano wpływ porowatości powłok na ich zużycie w testach tarciowych. Wykazano, że powłoki porowate wykazują znacznie mniejszą odporność na zużycie ścierne niż powłoki nieporowate. Powłoki porowate charakteryzują się także znaczną chropowatością powierzchni. Pomiary wykonane w skali nano i mikro wykazały, że wzrost chropowatości powierzchni pociąga za sobą wyższe wartości współczynnika tarcia. Badania zaprezentowane w tej pracy wykazały, że odporność na zużycie może być wzmocniona przez zastosowanie niejonowych środków powierzchniowo czynnych lub kopolimerów blokowych, zamiast środków powierzchniowo czynnych jonowych, w połączeniu z wygrzewaniem w wysokich temperaturach, tj. do 1000°C. W celu polepszenia właściwości tribologicznych powłok ditlenku tytanu wytwarzanych metodą zol-żel, zastosowano twardą fazę nanoceramiczną ZrO2. Powstałe kompozyty zbudowane z nanocząstek ditlenku cyrkonu w osnowie ditlenku tytanu wytwarzane były na płytkach krzemowych metodami przez zanurzanie i przez pokrywanie odśrodkowe oraz wygrzewane w 100°C, 500°C i 1000°C. Wykazano, że obecność nanocząstek ditlenku cyrkonu umiarkowanie obniża współczynnik tarcia tylko dla powłok wygrzewanych w 500°C w stosunku do powłok bez nanocząstek. W wyniku obecności nanocząstek obserwuje się natomiast znaczne zmniejszenie zużycia powłok. W szczególności powłoki wytworzone metodą przez pokrywanie odśrodkowe wykazywały wysoką odporność na zużycie. Obniżenie zużycia jest spowodowane wzrostem twardości powłoki oraz zmniejszeniem rzeczywistej powierzchni styku na szczytach nierówności, powodujące osłabienie oddziaływań adhezyjnych. Ostatnia część pracy poświęcona jest metodom obniżenia tarcia i zużycia poprzez modyfikację powierzchni. Po raz pierwszy zastosowano sole cynkowe dialkiloditiofosforanów (ZDTP) oraz wolne kwasy dialkiloditiofosforowe jako modyfikatory tarcia powłok ditlenku tytanu otrzymanych metodą zol-żel. Stosując te modyfikatory możliwe było obniżenie współczynnika tarcia z μ = 0,2 do μ = 0,05. Wartości te zarejestrowano odpowiednio dla powłoki ditlenku tytanu zbudowanej z rutylu i dla tej samej powłoki zmodyfikowanej kwasem di(tetradecylo-) ditiofosforowym nakładanym metodą przez zanurzanie. Analiza AFM topografii powierzchni po modyfikacji wykazała różne struktury cząsteczek ZDTP i HDTP na powierzchni w zależności od długości łańcucha alkilowego i metody nakładania. Topografie uzyskane techniką AFM wskazały również na występowanie warstw reakcyjnych kwasów HDTP na powierzchni powłoki ditlenku tytanu. Efekt ten nie jest obserwowany w przypadku cząsteczek ZDTP, które tworzą warstwy adsorpcyjne. Oprócz pochodnych dialkiloditiofosforowych badano również wpływ modyfikacji fluoroalkilosilanami na hydrofobowość powierzchni i swobodną energię powierzchniową. Pomiary wykonane w nanoskali z zastosowaniem AFM wykazały obniżenie tarcia na powłokach zmodyfikowanych fluoroalkilosilanami. Charakteryzowały się one także niższą, w stosunku do powłok niemodyfikowanych, swobodną energią powierzchniową. Nowym aspektem tej części pracy było zastosowanie dialkiloditiofosforanów mających w budowie cząsteczki łańcuchy poli(oksyetylenowe) oraz bezpośredniej polimeryzacji tlenku etylenu na powierzchni, jako modyfikatory tarcia powłok ditlenku tytanu. Ten rodzaj modyfikatorów stosowany jest w celu zwiększenia biozgodności implantów. Natomiast ich zachowanie jako modyfikatory tarcia na powłokach ditlenku tytanu opisano w tej pracy. Należy podkreślić, że większa część przytoczonych badań są to badania nowe i/lub rozszerzone. Nie były dotąd publikowane przez innych w literaturze.

EN

The structure of this work is based on three parts. The first part covers the review of the literature available today, related to the issues concerning the tribological properties of titanium dioxide coatings. The second part illustrates the most important achievements of the author in the field of the tribology of the thin titanium dioxide sol-gel coatings. The link between these two parts is a concise description of the coatings preparation, methods of their modification and applied experimental techniques. The review of the literature allowed to establish that tribological properties of titanium dioxide coatings, commonly used as a component of the modern materials, has not been fully characterized yet. In spite of the growing number of publications concerning the titanium dioxide, relatively small number of them concern its frictional properties. The work which you have in your hands fills in this gap. Simultaneously, this work constitutes a contribution in extending knowledge about the tribological properties of the thin titania sol-gel coatings. The aim of this work was investigation of the factors which influence the tribological properties of the titanium dioxide coatings deposited on silicon wafers using sol-gel method. This method enables optimization of the titanium dioxide coatings preparation, having easily achievable established properties, in the repeatable manner. It should be highlighted that frictional tests were conducted on the microtribometer - the apparatus operating in mN normal load range. It was especially designed and constructed for tribological investigation of the thin ceramic coatings. This innovative apparatus was designed according to the project presented by Prof. Grzegorz Celichowski from the Department of Materials Technology and Chemistry at the University of Lodz and constructed in cooperation with the Institute for Sustainable Technologies in Radom (Poland). The topography and physicochemical nature of coatings were also characterized by Atomic Force Microscopy (AFM), infra red spectroscopy (FT-IR), optical microscopy and other techniques. In experimental part the tribological characterization of the titanium dioxide coatings having thickness up to 100 nm was presented. The influence of the annealing temperature on the structure and the tribological properties was discussed. Coatings were annealed at 100°C, 500°C and 1000°C. As the result amorphous, anatase or rutile structures were obtained. The lowest coefficient of friction recorded on the microtribometer for these coatings, between rutile coating and zirconia ball, was on the level of μ = 0.2. It is low than in the case of coating annealed at 100°C and 500°C. Coatings annealed at 1000°C exhibited also very good wear resistance. Good tribological performance of the coatings annealed at 500°C and 1000°C is caused by the presence of hard crystalline phases (anatase, rutile) and enhanced adhesion to the substrate. Next, the effect of the porosity on the wear behavior in frictional tests was verified. It was found, that porous coatings exhibit very low wear performance than nonporous ones. Porous coatings exhibit also high roughness. Measurements performed in nano and micro scale revealed that the increase of the surface roughness causes higher coefficient of friction values. Investigations presented in this work demonstrate, that the wear resistance can be improved by application, on the preparation step, nonionic surfactants or block copolymers at low concentrations, instead of ionic surfactants combined with annealing at high temperatures up to 1000°C. In order to improve the tribological properties of titanium dioxide solgel coatings, hard zirconia nanoparticles were applied. Resulted composites, built of zirconia nanoparticles embedded in titanium dioxide matrix, were deposited on silicon wafers with the use of dip-coating or spin-coating methods and annealed at 100°C, 500°C and 1000°C. It was found that the presence of the zirconia nanoparticles moderately decreases the coefficient of friction. Slightly lower values of the coefficient of friction compared to pure titania coatings were recorded only for coatings annealed at 500°C. However, significant improvement in wear decrease was observed, due to the presence of hard zirconia nanophase. In particular, coatings deposited with the use of the spincoating method exhibited excellent wear performance. Reduction of the wear is caused by the increase of hardness of the coating and lowering of the real area of contact at the top of the asperities causing lower adhesive interactions.

2

Nanocoat Finishing of Polyester/Cotton Fabrics by the Sol-Gel Method to Improve their Wear Resistance

Brzeziński S., Kowalczyk D., Borak B., Jasiorski M., Tracz A.

Fibres & Textiles in Eastern Europe

|

2011

|

Vol. 19, no. 6 (89)

83--88

EN

A serious drawback of the commonly used textiles of polyester/cotton fibres blends (PET/CO), especially those containing worse cotton brands, is their great susceptibility to form pilling, which adversely affects their performance durability and aesthetic values. Among the many methods of preventing this phenomenon, the thin-coating finishing performed by sol-gel methods provides interesting possibilities in this field. By a proper selection of precursors and synthesis method as well as the deposition of sols, it is possible to form xerogel coats on the fibre surface characterised by considerable hardness and abrasion resistance, thus reducing the formation of pilling, without any deterioration in the aesthetic values of textiles. Moreover, these coatings are strongly combined with the fibre surface and are resistant to the conditions of use and care, including multiple washing processes. The thin-coat finishing of this type also increases the abrasion resistance of textiles with a dominating content of polyester fibres, and thus it positively influences the performance value of textile fabrics. This paper presents the test results of using the hybrid modified SiO2/Al2O3 sol developed, synthesised with the use of two precursors: (3-glycidoxypropyl) trimethoxysilane (GPTMS) and aluminium isopropoxide (ALIPO), and the conditions of its application to the thin-coat finishing of PET/CO (67:33) woven fabrics were selected to increase their abrasion resistance and prevent the formation of pilling. Consequently, the fabric susceptibility to form pilling was practically completely eliminated (assessment at level 5 according to the Martindale test), and the fabric abrasion resistance was increased by 38%, with the effects obtained being resistant to prolonged laundering.

PL

Istotną wadą tekstyliów z mieszanek włókien poliestrowych i bawełnianych jest ich duża skłonność do tworzenia pillingu, co negatywnie wpływa na trwałość użytkową oraz cechy estetyczne wyrobów. Wśród wielu sposobów przeciwdziałania tej skłonności, duże możliwości stwarza wykończenia nanopowłokowe metodą zol-żel. W rezultacie prowadzonych badań ustalono, że w wyniku odpowiedniego doboru prekursorów i addytywów oraz opracowanych metod syntezy, a następnie włókienniczej aplikacji zoli, można wytwarzać na powierzchniach włókien cienkie powłoki kserożelowe, które nie powodując pogorszenia cech estetycznych tekstyliów, jednocześnie istotnie zwiększają odporność tkanin na ścieranie, a więc i mechacenie, a w rezultacie na tworzenie pillingu. Powłoki takie są silnie związane z powierzchniami włókien i odporne na warunki użytkowania i konserwacji wyrobów, w tym wielokrotne prani

3

Wnikanie wodoru do żelaza pokrytego powłoką ZrO2

Zakorchemna I., Zakroczymski T.

Ochrona przed Korozją

|

2008

|

nr 4-5

127-130

PL

Stosując metodę elektrochemiczną przenikania wodoru przez membranę, zbadano wnikanie wodoru do żelaza pokrytego powłoką ZrO2. Wstępną powłokę zol-żelową, osadzoną na jednej stronie membrany metodą wirowania 800oC. Membrany pokryte powłoką i membrany bez powłoki ładowano wodorem wydzielanym katodowo z roztworu 0,1 M NaOH w warunkach stałego prądu. Wyniki pomiarów przenikania wodoru wskazują, że powłoka ZrO2 blokowała znaczną część powierzchni żelaza dla reakcji wydzielania wodoru, a więc i dla wnikania wodoru. Porównując przenikanie wodoru przez membranę z powłoką i przez membranę bez powłoki określono efektywny stopień pokrycia powierzchni żelaza ZrO2.

EN

Hydrogen entry into iron with a ZrO2coating was studied using the electrochemical permeation technique. An initial sol-gel zirconium based coating was deposited on one side of iron membranes by spin-coating, densified in air and annealed up to 800oC in vacuum. The coated and uncoated membranes were charged with hydrogen cathodically generated from 0.1 M NaOH under constant current. On the basis of hydrogen permeation results it was proved that the sol-gel coatings considerably blocked the iron surface for the hydrogen evolution reaction and, consequently, for the hydrogen entry into iron. The effective coating coverage was determined by comparison of the hydrogen fluxes permeating the coated and uncoated membranes.