Plasma

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 255 (2023) Citar este artigo

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Este trabalho demonstra um novo caminho para a fabricação direta na superfície de um revestimento de superfície superhidrofóbico em aço macio. O revestimento foi formado usando plasma de descarga de barreira dielétrica (DBD) para converter um precursor líquido de pequena molécula (1,2,4-triclorobenzeno) em um filme sólido por meio de polimerização de superfície assistida por plasma. Os tratamentos de plasma foram realizados sob uma atmosfera de nitrogênio com uma variedade de níveis de potência e durações. As amostras foram analisadas por microscopia óptica e eletrônica de varredura (SEM), espectroscopia de raios X de energia dispersiva (EDS), espectrometria de massa de íons secundários com tempo de voo (ToF-SIMS), espectroscopia Raman, perfilometria óptica, medição de ângulo de contato e testes de polarização potenciodinâmica. A molhabilidade dos filmes variou com os parâmetros do plasma e com a inclusão de nanoplaquetas de grafeno no precursor. Exposições plasmáticas de alta dose do precursor contendo nanoplaquetas criaram filmes superhidrofóbicos com ângulos de contato com a água acima de 150°. Os testes de polarização potenciodinâmica revelaram que o revestimento superhidrofóbico forneceu pouca ou nenhuma proteção contra corrosão.

Superfícies superhidrofóbicas são materiais de baixa energia superficial compreendendo motivos hierárquicos de micro e nanoestruturas1,2,3,4. Os métodos de fabricação atuais para superfícies superhidrofóbicas incluem litografia5,6,7,8, corrosão9,10,11,12, automontagem13,14,15, deposição de partículas16, deposição de vapor16,17, técnicas de sol-gel18,19,20 e fundição21 . Dessas diferentes abordagens, apenas processos de sol-gel e eletrodeposição foram usados ​​para fabricar revestimentos superhidrofóbicos em aço doce20,22,23, com muitos métodos focando em outros substratos, como têxteis ou silício. A fabricação de acabamentos de superfície superhidrofóbicos pode ser demorada e cara, por exemplo, devido a processos de várias etapas, longos tempos de cura e altas temperaturas24,25.

Uma aplicação importante dos filmes superhidrofóbicos é na proteção contra corrosão. A corrosão de metais representa um grande ônus financeiro para muitas indústrias e, portanto, é de grande interesse mitigar26. Existe uma forte conexão presumida entre a molhabilidade da superfície e a corrosão, com superfícies superhidrofóbicas geralmente apresentando notáveis ​​propriedades anticorrosivas27,28,29,30. Superfícies superhidrofóbicas, que possuem ângulos de contato com a água maiores que 150°, limitam o contato entre a água e a superfície31. Uma pesquisa da literatura revela uma suposição comum de que, à medida que a hidrofobicidade de um revestimento aumenta, também aumenta a resistência à corrosão que ele fornece22,27,32,33,34,35, com superfícies superhidrofóbicas que oferecem proteção robusta contra a corrosão26,36 ,37,38,39,40. Um modelo para isso é baseado na estrutura hierárquica da superfície causando a formação de bolsões de ar entre o líquido corrosivo e o substrato, impedindo que íons agressivos ataquem o substrato limitando a interação física36,37,41,42,43,44,45. No entanto, nem sempre é esse o caso, pois foi descoberto que alguns filmes superhidrofóbicos ainda podem fornecer pouca ou nenhuma proteção contra corrosão46.

Neste trabalho, um método de polimerização a plasma foi utilizado para a síntese de revestimentos em aço macio. A abordagem de plasma foi selecionada devido aos benefícios que a técnica oferece, como escalabilidade, eficiência energética e processamento rápido e simples em temperatura ambiente e pressão atmosférica. Mostramos anteriormente que o tratamento com plasma promove uma reação para clivar as ligações C-X (carbono-halogênio) em 1,2,4-triclorobenzeno (TCB) na presença de uma superfície de catalisador de metal elementar47, seguida por uma reação de oligomerização ou polimerização levando para a formação de um filme sólido ligado à superfície. Mostramos que o processo funciona em filmes finos de Au e Ni47, bem como em substratos de cobre a granel48. Neste trabalho demonstramos que o mesmo processo pode ser aplicado ao aço doce (ver Fig. 1). O aço macio é um candidato importante para revestimentos de proteção contra corrosão, pois é usado em uma ampla gama de aplicações49, apesar de sua desvantagem intrínseca de oxidar facilmente (enferrujar)50. Mostramos que a molhabilidade dos filmes que fabricamos em aço macio pode ser modificada através da adição de nanoplaquetas de grafeno (GrNP) em suspensão. GrNP são folhas de poucas camadas de carbono sp251 e são naturalmente hidrofóbicas52. Nós investigamos o efeito de diferentes níveis de potência de plasma e tempos de dose para filmes criados com e sem GrNP, e caracterizamos o produto através de microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura (SEM). A molhabilidade do filme foi avaliada por meio de medições de ângulo de contato, e o filme superhidrofóbico foi submetido a testes de corrosão. Os testes de polarização potenciodinâmica (PDP) revelaram que os revestimentos resultaram em menor ou nenhuma proteção contra corrosão, apesar de sua superhidrofobicidade. No entanto, apesar dessa falha em fornecer proteção contra corrosão, acreditamos que a superhidrofobicidade desses revestimentos ainda pode ser útil para aplicações em áreas como antigelo53.