Potentiodynamische Korrosionsprüfung

Summary

Hier präsentieren wir ein Protokoll zum Einrichten und Ausführen eines potentiodynamischen In-vitro-Korrosionssystems zur Analyse der Lochfraßkorrosion für kleine metallische medizinische Geräte.

Abstract

Verschiedene metallische Materialien haben unterschiedliche Polarisationseigenschaften, die durch das Leerlaufpotential, das Durchbruchpotenzial und das Passivierungspotenzial des Materials bestimmt werden. Die Detektion dieser elektrochemischen Parameter identifiziert die Korrosionsfaktoren eines Materials. Um dies zu erreichen, ist ein zuverlässiges und gut funktionierendes Korrosionssystem erforderlich.

Die Korrosion der Proben wurde durch eine potentiodynamische Polarisationstechnik erreicht, die eine Drei-Elektroden-Konfiguration verwendet, bestehend aus Referenz-, Gegen- und Arbeitselektroden. Vor Beginn wird ein Basispotenzial ermittelt. Nach der Stabilisierung des Korrosionspotentials (E_corr) wird das angelegte Potential langsam in positiver Richtung relativ zur Referenzelektrode angehoben. Die Arbeitselektrode war eine Schraube aus rostfreiem Stahl. Bei der Referenzelektrode handelte es sich um eine Standard-Ag/AgCl. Bei der verwendeten Gegenelektrode handelte es sich um ein Platinnetz. Ein zuverlässiges und gut funktionierendes In-vitro-Korrosionssystem zur Prüfung von Biomaterialien bietet eine kostengünstige Technik, die eine systematische Charakterisierung des Materials durch Bestimmung des Abbaupotenzials ermöglicht, um die Reaktion des Materials auf Korrosion besser zu verstehen. Ziel des Protokolls ist es, ein potentiodynamisches In-vitro-Korrosionssystem einzurichten und zu betreiben, um die Lochfraßkorrosion für kleine metallische Medizinprodukte zu analysieren.

Introduction

Elektrochemische Techniken bieten eine schnelle und relativ kostengünstige Verfahren die elektrochemische Eigenschaften eines Materials zu erhalten. Diese Techniken basieren hauptsächlich auf der Fähigkeit , durch Beobachten der Reaktion des Ladungstransferprozesses auf eine kontrollierte elektrochemische Störung ^1-5 Korrosion eines Metalls zu erfassen. Die Korrosion von Metallimplantaten in einem Körperumgebung ist entscheidend aufgrund der negativen Auswirkungen auf die Biokompatibilität und Materialintegrität ^6. Der Hauptfaktor , um die Korrosion von Implantaten innerhalb des Körpers beiträgt , ist die Auflösung der Oxidoberfläche zu einer erhöhten Freisetzung von Metallionen führen ^7-11. Dies führt zu unerwünschten biologischen Reaktionen, die lokal gefunden werden kann, jedoch mit potentiell systemische Wirkung zum vorzeitigen Versagen des Implantats führen ^10,12-28.

Die Korrosionseigenschaften eines Prüflings aus dem Polarisations Scan vorhergesagt erzeugtdurch einen Potentiostaten. Ein Polarisations Scan ermöglicht die Extrapolation der kinetischen und Korrosionsparameter eines Metallsubstrats. Während einer Abtastung, die Oxidation oder Reduktion einer elektroaktiven Spezies kann durch Ladungsübertragung und der Bewegung der Reaktanten oder Produkte beschränkt. Diese Faktoren sind alle von der Polarisations Scan verkapselt; daher wichtig, ein System zu haben, das eine zuverlässige und wiederholbare Polarisations Abtastung über mehrere Zyklen erzeugt, ist von großer Bedeutung. Der Schwerpunkt dieses Manuskripts ist ein Protokoll zur Verfügung, aus denen die Grundlagen und Schritte, um eine gut funktionierende potentiodynamischer Korrosionssystem zu erhalten genommen.

Protocol

1. Konstruktion des Probenhalters

1. Konstruieren Sie den Probenhalter aus Edelstahl Abstandhalter und einem M3 Edelstahl Gewindeschraube, anstelle mit einem M3 Sechskantmutter gehalten.
2. Entfernen Sie den Kopf der Gewindeschraube mit einer Zange und den Schnitt Segment polieren den Faden Muster zu halten.
3. Wenn alle einzelnen Komponenten bereit sind, montieren die Elektrodenhalter. Jeder Elektrodenhalter enthält drei Abstandshalter miteinander verbunden durch die M3-Schrauben, was zu einer 11,5 cm Griff. Platzieren Sie die Sechskantmuttern an der Verbindungsstelle der Schraube und Abstandshalter, die Verbindung zu verriegeln.
4. Solder (60/40% Sn / Pb) ein zahnlos Krokodilklemme auf die Schraube am Ende der Stange. Dies wird einen festen Halt sorgen, die später die Elektrode während der Analyse befestigen.
5. Sobald die Elektrodenhalter montiert sind, mehrere Schichten von Stop-off-Lack (elektrische Dichtungsmittel) gelten die Edelstahlstangen zu verhindern, dass der Korrosionskammer während getaucht korrodieren.
   1. Legen Sie alle Elektrodenhalter mit den beiliegenden Proben an das Krokodilklemme in einer Abzugshaube vor der Beschichtung. Legen Sie eine 20-ml-Spritze in den Abzug. Verwenden Sie die Spritze mit der Stop-off-Lack zu sammeln.
   2. Schalten Sie die Abzugshaube und gießen Sie die Stop-off-Lack in ein kleines Glas. Pull 10 ml Stop-off-Lack in die Spritze und die Beschichtung der Oberfläche der Elektrodenhalter. Achten Sie darauf, nicht die Testprobe zu decken, die für Korrosion untersucht werden wird.
   3. Mantel Hälfte jeder Elektrodenhalter und in der Abzugshaube vor der Beschichtung, die andere Hälfte zu trocknen. Dies wird helfen, eine komplette gut verschlossenen Mantel erhalten, ohne die Bereiche beschichtet werden zu beschädigen. Stellen Sie sicher, dass während der Trocknungsphase, die frisch beschichteten Bereiche nicht berühren anderen Oberflächen, da dies die aufgetragene Beschichtung ruinieren.
   4. Platzieren Sie die Elektrodenhalter in einer erhöhten Position ohne Kontakt zu irgendwelchen Oberflächen während der Trocknung. Bestreichen Sie die Elektroden schnell durch die schnelle Verfestigung des Stop-off-Lack.Damit ist die erste Schicht.
   5. Nach dem Trocknen, wiederholen Sie den Vorgang 3 Schichten entlang der gesamten Fläche zu erhalten.
6. Vor der Korrosions Lauf beginnen, lassen Sie die Halter für 24 Stunden nach der Beendigung der letzten Schicht zu trocknen. Alle Beschichtungsverfahren treten bei RT keine Heiz- oder Kühlschritte erforderlich sind, obwohl sie den Härtungsprozess beschleunigen / verlangsamen kann.
7. Einen Faradayscher Käfig
   1. Konstrukt einen Faradayschen Käfig zwei durch Beschichtung von Kunststoffbehältern von der gleichen Größe mit 4 Schichten aus Aluminiumfolie, alle Seiten zu bedecken.
   2. Geschnitten, um zwei kleine Löcher aus am Rand des oberen Kunststoffbehälter, die Elektrodenverbindung mit dem Potentiostaten und der Stickstoffleitung mit dem Stickstofftank zu passieren lassen. Eine geteilte Ausführung des Faradayschen Käfigs ermöglicht es dem oberen Bauteil am Ende eines Laufes entfernt werden, ohne dass der untere Gehäuseabschnitt den Behälter zu ersetzen.
   3. Den Außenfach (Wasserkammer) in den Faraday-Käfig. leave die zweite Hälfte an der Seite und auf der Oberseite der unteren Kammer nur dann, wenn das Korrosionsgefäß (später in dem Verfahren) abgedichtet ist.

2. Reinigung von Glaswaren

1. Reinigen Sie das Korrosionsgefäß (700 ml zylindrischen Kolben) vor jeder Korrosion laufen. Schrubben Sie das Gefäß mit Haushaltsreiniger und gründlich mit Leitungswasser. Wiederholen Sie diesen Schritt 3 mal.
2. Spülen Sie die Korrosion Behälter 3-mal mit entionisiertem Wasser (DI) Wasser möglichen Verunreinigungen im Leitungswasser gefunden zu entfernen.
3. Einmal mit DI-Wasser gespült wird abgeschlossen gießen 300 ml 95% Ethanol in die Korrosionsbehälter und wirbeln um alle inneren Oberflächen in Kontakt zu treten. Gießen Sie das Ethanol aus und wiederholen Sie diesen Schritt 3 mal.
4. Lassen Sie das Korrosionsgefäß unter einer Abzugshaube für 30 Minuten das gesamte Ethanol zu ermöglichen, vollständig zu verdampfen.
5. Nehmen Sie die saubere, trockene Korrosion Behälter und spülen Sie ihn mit dem Elektrolyten, die für den Korrosionslauf verwendet wird. Für eACH spülen Sie den Korrosionsgefäß mit 200 ml des Elektrolyten und wiederholen Sie diesen Vorgang 3-mal zu füllen. Für diese Studie, spülen Sie die Korrosion Gefäß mit phosphatgepufferter Salzlösung (PBS). Die chemische Zusammensetzung des gesamten verwendeten PBS (10 L) Elektrolyt 80 g NaCl, 11,5 g Na ₂ HPO _4, 2 g KCl und 2 g KHPO _4.
6. Nach dem Spülen, füllen die Korrosionsgefäß mit dem erforderlichen Volumen von PBS bereit für die Reaktion.

3. Aufbau Vorrichtung

1. Klemme einen Erhitzer mit einem eingebauten Zirkulationssystem an der Seite der äußeren Kammer eine Klemme verwendet wird. Die Größe des äußeren Kammer benötigt etwa 30 cm x 20 cm x 20 cm und entweder aus Glas oder polymerem hergestellt in der Lage die kleinere Korrosionsbehälter und dem Heizsystem des Gehäuses zu sein.
2. Füllen Sie das Außenfach mit Leitungswasser, bis der Wasserstand höher ist als die Höhe der suspendierten Elektroden innerhalb des Korrosionsgefäß. Das kleinere Fachist die Korrosion Behälter (zuvor in Abschnitt 2 beschrieben).
3. Seal die Korrosionsgefäß mit einem Glasreaktions Deckel und klemmen Sie eine wasserdichte Abdichtung zu gewährleisten. Der Deckel der Kammer bietet sechs Eintrittspunkte für Versuche und Messvorrichtung.
4. Suspend ein Thermometer von einem der Eingangspunkte des Reaktions Deckel eine Ablesung der Temperatur innerhalb der Korrosionszelle bereitzustellen. Suspend alle drei Elektroden aus dem Deckel, die anderen drei Einstiegspunkte verwenden. Verwenden Sie Polytetrafluorethylen (PTFE) Band die Dichtung jeder Verbindung zu sichern.
5. Verwenden, um eine Drei-Elektroden-Konfiguration, bestehend aus einer Referenz, Zähler und Arbeitselektrode. Die Arbeitselektrode ist die Schraube aus rostfreiem Stahl (Probe unter Analyse). Vor dem Einsetzen der Elektrode in das Korrosionsgefäß, wischen Sie mit einem 80% Ethanol in einem Becherglas mit 100 ml PBS gefüllt wischen und Stelle durchtränkt.
6. Verwenden Sie einen Verbindungsstift die Elektrodenhalter auf die Elektroden Strapsen zu befestigen. Den electrode Strapsen in den Einspeisepunkten des Deckels des Korrosionsgefäß.
7. Legen Sie die Arbeitselektrode zentral mit der Zähler und der Referenzelektrode von beiden Seiten ausgesetzt werden. Verschließen Sie den Glaseinstiegspunkt und die Korrosions Strapsen mit PTFE-Band.
8. Für die Referenzelektrode mit einem Standard-Ag / AgCl. Für die Gegenelektrode, mit einem Platinnetz, die um die Probe unter Test (Arbeitselektrode) zu wickeln lose gebogen wurde.
9. Füllen Sie die Ag / AgCl-Elektrode mit 3 M KCl mit einer Pipette. Nach umfangreichen Nutzung, Veränderung und füllen Sie das Ag Ag / Cl. dieser Version wird die Spitze der Elektrode zu tun, um die Flüssigkeit in eine kleine Glassammelbehälter (Becher) zu leeren. Sobald alle die Lösung entfernt ist, den Spitzeneinsatz und mit 3 M KCl füllen.
10. Verwenden Sie Klebeband an allen Kreuzungen der gesamten Kammer, um sicherzustellen, abgedichtet ist.
11. Sobald die Kammer mit allen Elektroden im Inneren des Korrosionsgefäß gegeben abgedichtet ist, die Temperatur auf 37 ° C und öffnen Sie das Stickstoffventil witha Fließrate von 150 cm ³ / min. Lassen Sie die Temperatur und Stickstofflauf für 60 min vor einem Lauf durch. Halten Stickstoff Lauf für die Dauer des Experiments.

4. Laufende Korrosionstest

1. Öffnen des elektrochemischen Softwarepaket, das mit dem USB gesteuert Potentiostat Schnittstellen.
2. Die elektrischen Verbindungen zwischen dem Potentiostat und die Elektroden 3 und dann den Potentiostaten auf.
3. Öffnen und verwenden Sie die "Messansicht", um das Potenzial und die aktuellen Messwerte von Korrosionsumgebung anzuzeigen. Während der Leerlaufpotential (OCP) Phase, wo keine Rampe Potential noch wird die aktuelle Lesung zwischen dem Arbeits angewendet (positives Potential) und Zähler (negativen) Elektrode ist um (0 ± 0,01) uA. Die falsche Abdichtung der Kammer mit PTFE-Band kann Schwankungen in der Strommesswert führen, da die Kammer mit Stickstoffgas begast werden Sauerstoffmoleküle zu entfernen.
4. Lassen Sie dieProbe äquilibrieren und im Korrosionsbehälterumgebung stabilisieren. Die Zeitdauer für diese variiert (von 1 bis 6 Stunden) und ist auf materialabhängig. Überwachen Sie die mögliche Verwendung von Messansicht, um zu bestimmen, ob stabilisierte Bedingungen erreicht sind. Das Potential wird ohne Schwankungen konstant sein, wenn stabile Bedingungen erreicht sind.
5. Nach stabilen Bedingungen erreicht sind, starten Sie die Korrosion laufen. Doch bevor dies getan werden kann, in der "Korrosionsprogramm" und "Cyclovoltammetrie (CV)" Bedingungen mit der Skelett-Vorlage zur Verfügung gestellt durch analytische Software zu füllen.
6. Wählen Sie die Cyclovoltammetrie Potentiostat Prozedur innerhalb der Setup-Ansicht aus dem Verfahren Registerkarte.
7. Aktivieren Sie die folgenden Parameter für den Korrosionslauf abgetastet werden: die Zeit, die Arbeitselektrode (WE) Potential und Strom für die Korrosion laufen.
8. Wählen Sie die Option, den aktuellen Bereich zu automatisieren. Stellen Sie den höchsten Strom im Bereich von 10 mA zu sein, und der niedrigste Strom in der range 10 nA für die wir sein.
9. Achten Sie darauf, die endgültige Cut-off-Auswahl durch das Potential durch Setzen des 'Zyklus zurück' Parameter auf 0,8 mV gesteuert wird die Hystereseschleife abgeschlossen werden kann.
10. Notieren Sie sich die OCP aus der Messung Blick in den OCP Parameter Textfeld ein. Stellen Sie die Start Potential 100 mV unter dem aufgezeichneten OCP-Wert. Stellen Sie den oberen Scheitel Potential auf 800 mV, wobei der untere Scheitel bis 100 mV unterhalb des Startpotential und dem Anschlag Potential bis 100 mV unter dem unteren Scheitelpunkt Potential. Stellen Sie die Abtastrate auf 0,001 V / s und den Schritt Potential zu 0,0024 V / sec. Drücken Sie nun beginnen.

5. Nach der Beendigung des Korrosions Run

Anmerkung: Nach der Beendigung der Korrosions ausgeführt wird die Polarisationsabtastung innerhalb der Analyseansicht der Software gezeigt. Für jede Polarisation laufen die Präsentationsansicht die OCP, die Kurve für E vs. t und die CV Treppe auflistet, die eine Darstellung von E gegen Log (i).

1. Innerhalb jeder Parzelle lTinte, bestimmen interne Filterung der Datenpunkte, Tafel Extrapolation und Plotoptionen. Erweitern Sie jeden Link präsentiert verschiedene Parameter von Interesse zu zeigen, die gemeinsam die elektrochemischen Parameter bilden. Die Polarisations Scan (Stromdichte vs. Potential), bestimmt die offene Kreispotential, Lochfraßpotential (E _Grube) und das Schutzpotential (E _pro).
2. Tabellarisieren die Anoden- und Kathoden Konstanten Tafel, die Korrosionsrate, die Korrosionsstrom, Korrosionsstromdichte, das Startpotential und Ende Potential unter der Korrosionsgeschwindigkeit der Tafel-Neigung Link.

6. Entfernen der Probe aus dem Elektrodenhalter

1. Bereiten Sie 3 kleine Dosen von 50 ml mit Dichlormethan unter dem Abzug.
2. Entfernen getesteten Proben von den Elektrodenhalter durch das untere Ende des Halters in Dichlormethan Eintauchen für 30 min in einer Dunstabzugshaube.
3. Einmal freistehend, legen Sie die Probe in die nächste GlasDichlormethan und lassen für 15 Minuten. Wiederholen Sie diesen Vorgang mit dem dritten und letzten Spülgang, um loszuwerden, jede überschüssige Beschichtung auf den Befestigungsabschnitten der Probe.
4. Wischen Sie die restlichen Dichtungsmittel aus dem Clip und Probe und schließlich mit VE-Wasser spülen.

Results

Am Ende des Verfahrens ein in vitro - Korrosionssystem ist Setup Korrosionsuntersuchungen durchzuführen. Spezifische Verfahren, wie beispielsweise die Reinigung des Korrosionsbehälter und dem Faraday-Käfig wurden in das Protokoll eingeführt Rauschleistung zu verbessern. Das grundlegende Konzept eines guten Polarisations Scan ist die elektrophysikalischen Bedingungen des Materials wertvolle Informationen zu identifizieren, um die Korrosionsanfälligkeit aus einem metallischen Werk...

Discussion

Polarisations - Scans von den Proben aus rostfreiem Stahl hergestellt zeigte saubere kontinuierliche Plots mit Scans Korrelation in der Literatur gesehen, das einen gut funktionierenden Korrosionssystem , das sowohl zuverlässig und reproduzierbar ²⁹ ist. Schlechte Reproduzierbarkeit von potentiodynamischen Pitting Potentialen mit einer Ausbreitung von einigen hundert Millivolt identifiziert, mit ²⁹ durch einen stochastischen Prozess gekennzeichnet Potential liegen Grübchenbildung. Dies ist häufig a...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Potentiostat	Metrohm	PGSTAT101
Ag/AgCl Referenzelektrode, geschirmt	Metrohm	6.0729.100
Elektrodenschaft	Metrohm	6.1241.060
Polierer Forcipol 1v	Metkon	3602
Clindrical Flask 700 ml	SciLabware	FR700F
Reaktionsdeckel	SciLabware	MAF2/41
Dichlormethan	Sigma-Aldrich	MKBR7629V	Verwendung unter einem Abzug. Tragen Sie Schutzkleidung.
Thermo / HAAKE D-Serie Einhängethermostate	Haake