Влияние микроструктуры на процессы массопереноса в мембранах анодного оксида алюминия

• Автор: Петухов, Дмитрий Игоревич
• Шифр специальности: 02.00.21, 05.17.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 176 с. : ил.

Оглавление
1. Введение

2. Обзор литературы

2.1 Пленки анодного оксида алюминия

2.1.1 Типы пленок оксида алюминия, формирующегося при анодировании

2.1.2 Структура пленок анодного оксида алюминия

2.2 Механизм образования пористой структуры

2.3 Влияние параметров анодирования на структуру пленки анодного оксида

алюминия

2.3.1 Расстояние между центрами пор

2.3.2 Толщина барьерного слоя

2.3.3 Диаметр пор и пористость пленок анодного оксида алюминия
2.3.4 Ветвление пор
2.3.5 Толщина оксидной пленки
2.3.6 Химический состав пленки анодного оксида алюминия
2.3.7 Упорядочение пористой структуры в гексагональный массив
2.3.8 Влияние характеристик исходного металла на свойства формирующейся
оксидной пленки
2.4 Транспортные свойства мембран анодного оксида алюминия
2.4.1 Механизмы транспорта газа через пористые среды и газопроницаемость мембран анодного оксида алюминия
2.4.2 Жидкостная проницаемость и фильтрационные процессы с использованием мембран анодного оксида алюминия
2.5 Влияние химической модификации мембран анодного оксида алюминия на их
транспортные свойства
2.5.1 Методики модификации поверхности мембран анодного оксида алюминия из жидкой фазы
2.5.2 Методики модификации поверхности мембран анодного оксида алюминия из газовой фазы
2.6 Постановка задачи исследования
3 Экспериментальная часть
3.1 Формирование мембран анодного оксида алюминия
3.1.1 Получение пленок пористого оксида алюминия методом анодного окисления
3.1.2 Удаление металлической подложки и барьерного слоя.

3.2 Модификация мембран анодного оксида алюминия
3.2.1 Термическая модификация мембран
3.2.2 Модификация мембран методом гидротермачъной кристаллизации
3.2.3 Модификация мембран методом золь-гель синтеза
3.2.4 Модификация мембран путем химического осаждения углерода из газовой

3.3 Условные обозначения синтезированных образцов
3.4 Методы исследования
3.4.1 Рентгенофазовый анализ
3.4.2 Термический анализ
3.4.3 Растровая электронная микроскопия
3.4.4 Просвечивающая электронная микроскопия
3.4.5 Измерение зависимости дзета-потенциала мембран анодного оксида
алюминия и белков от pH среды
3.4.6 Низкотемпературная адсорбция азота при 77 К
3.4.7 Спектроскопия комбинационного рассеяния
3.4.8 Измерение контактного угла смачивания
3.4.9 Изучение хшшческой устойчивости мембран
3.4.10 Измерение газопроницаемости и газоселективности мембран
3.4.11 Измерение жидкостной проницаемости и фильтрационных характеристик
мембран
3.4.12 Изучение диализных процессов
4 Обсуждение результатов
4.1 Микроструктура мембран анодного оксида алюминия
4.1.1 Удаление барьерного слоя с электрохимическим детектированием момента
открытия пор
4.1.2 Кулонометрический контроль толщины оксидной пленки
4.2 Исследование влияния упорядоченности пористой структуры на
газопроницаемость мембран анодного оксида алюминия
4.3 Мембраны анодного оксида алюминия, обладающие иерархической структурой
пор: особенности синтеза и изучение газопроницаемости
4.4 Газопроницаемость и газоселективность мембран анодного оксида алюминия
4.4.1 Газоселективность мембран анодного оксида алюминия
4.5 Жидкостная проницаемость мембран анодного оксида алюминия

4.6 Влияние химической модификации на транспортные свойства мембран анодного оксида алюминия
4.6.1 Термическая обработка мембран анодного оксида алюминия
4.6.2 Гидротермальная обработка мембран анодного оксида алюминия
4.6.3 Модификация мембран анодного оксида алюминия методом золь-гель
синтеза
4.6.4 Модификация мембран анодного оксида алюминия путем химического
осаждения из газовой фазы
4.7 Процессы фильтрации и разделения макромолекул и ионов с использованием мембран анодного оксида алюминия
4.7.1 Ультрафильтрация молекул белка
4.7.2 Исследование диффузии макромолекул в процессе диализа через мембраны
анодного оксида алюминия
5. Выводы
6. Список литературы
7. Благодарности

2.3.8 Влияние характеристик исходного металла на свойства формирующейся оксидной пленки
На структуру оксидной пленки, формирующейся в результате анодирования, существенное влияние может оказывать как чистота исходного металла, так и размер и кристаллографическая ориентация его зерен.
В работе [109] проведено сравнение микроструктуры пленок анодного оксида алюминия, синтезированных путем анодирования высокочистой алюминиевой фольги (Goodfellow, 99,99%) и алюминиевой фольги, содержащей примеси (Alcan heavy duty aluminum foil, содержание алюминия 94%, в качестве примесей содержится железо, магний и кальций). Согласно результатам данного исследования при анодировании высокочистого алюминия в 0.3М Н2С2О4 при напряжении 40 В образуется структура с достаточно однородными по размеру цилиндрическими порами с диаметром около 40 нм, упорядоченными в гексагональный массив (рисунок 2.33а) со средним расстоянием между центрами пор около 100 нм. В то же время, при анодировании алюминиевой фольги, содержащей примеси, в тех же условиях образуется структура, поры в которой зарождаются вдоль линий прокатки исходной алюминиевой фольги (рисунок 2.336). Кроме того, форма пор отклоняется от цилиндрической, а их размер варьируется от 25 до 60 нм, а расстояние между их центрами варьируется от 60 до 120 нм. Следует отметить, что предварительная рекристаллизация алюминиевой фольги приводит к улучшению качества микроструктуры (рисунок 2.33в) формируемой оксидной пленки - дисперсия пор по размеру оказывается существенно ниже, а среднее расстояние между центрами составляет около 80 нм. Однако, в данном случае гексагонального упорядочения пор на большой площади не наблюдается, кроме того, в местах концентрации примесей могут формироваться макропоры размерами до 500 нм. В то же время на микрофотографии скола мембраны (рисунок 2.34) хорошо видно, что такие макропоры не проходят через
Рис. 2.33. Микроструктура анодного оксида алюминия, синтезированного из (а) алюминия чистоты 99.99%; (б) алюминия чистоты 94%; (в) алюминия чистоты 94% предварительно рекристаллизованого путем отжига [109].