Summary

La evolución de sílice recubrimientos de nanopartículas-poliéster sobre superficies expuestas al sol

Published: October 11, 2016
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Summary

Dos tipos de superficies, acero de poliéster recubierto y de poliéster recubierta con una capa de nanopartículas de sílice, se estudiaron. Ambas superficies se expusieron a la luz solar, que se encontró para provocar cambios sustanciales en la química y la nanoescala topografía de la superficie.

Abstract

La corrosión de superficies metálicas es frecuente en el medio ambiente y es de gran preocupación en muchas áreas, incluyendo las industrias militares, transporte, aviación, construcción y alimentos, entre otros. Poliéster y recubrimientos que contienen tanto del poliéster y nanopartículas de sílice (SiO 2 NPS) han sido ampliamente utilizados para proteger los sustratos de acero de la corrosión. En este estudio, hemos utilizado de rayos X espectroscopia de fotoelectrones, reflexión total atenuada infrarrojos micro-espectroscopía, las medidas del ángulo de contacto del agua, perfiles óptica y microscopía de fuerza atómica para proporcionar una idea de cómo la exposición a la luz solar puede causar cambios en la micro y nanoescala integridad de los recubrimientos. No se detectó ningún cambio significativo en la superficie micro-topografía utilizando perfilometría óptica, sin embargo, se detectaron cambios de nanoescala estadísticamente significativas a la superficie usando la microscopía de fuerza atómica. Análisis de la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X y micro de infrarrojos de reflexión total atenuadalos datos de espectroscopia reveló que la degradación de los grupos éster se había producido a través de la exposición a la luz ultravioleta para formar COO ·, -H 2 · C, -O · ·, -CO radicales. Durante el proceso de degradación, CO y CO 2 también se produjeron.

Introduction

Environmental corrosion of metals in the environment is both prevalent and costly1-3. A recent study conducted by the Australasian Corrosion Association (ACA) reported that corrosion of metals resulted in a yearly cost of $982 million, which was directly associated with the degradation of assets and infrastructure through metallic corrosion within the water industry4. From an international perspective, the World Corrosion Organization estimated that metallic corrosion was responsible for a direct cost of $3.3 trillion, over 3% of the world’s GDP5. The process of galvanizing as a corrosion preventative method has been widely used to increase the lifespan of steel material6. In humid and subtropical climates, however, water tends to condense into small pockets or grooves within the surface of the galvanized steel, leading to the acceleration of corrosion rates through pit corrosion7,8. Thermosetting polymer coatings based on polyesters have been developed to coat the galvanized steel substrata increasing their ability to withstand humid weathering conditions for items such as satellite dishes, garden furniture, air-conditioning units or agricultural construction equipment9-11. Unfortunately polymer coatings on steel surfaces have been found to be considerably adversely affected by the presence of high levels of ultraviolet (uv) radiation12-14. Coatings comprised of silica nanoparticles (SiO2) spread over a polymer layer have been widely used with a view to increasing their corrosion-, wear-, tear- and degradation-resistance15,16. The tendency of the protective polymeric coatings to form pores and cracks can be reduced by incorporating nanoparticles (NPs), which contribute to the passive obstruction of corrosion initiation17,18. Also, the mechanical stability of the protective polymeric layer can be improved by NPs inclusion. However, these coatings act as passive physical barriers and, in comparison to the galvanization approach, cannot inhibit corrosion propagation actively.

An in-depth understanding of the effect that high-levels of ultraviolet light exposure under humid conditions upon these metal coatings is yet to be obtained. In this paper, a wide range of surface analytical techniques, including X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), attenuated total reflection infrared micro-spectroscopy (ATR IR), contact angle goniometry, optical profiling and atomic force microscopy (AFM) will be employed to examine the changes in the surface of steel coatings prepared from polyester- and silica nanoparticle-coated polyester (silica nanoparticles/polyester) after exposure to sunlight. Furthermore, the aim of this work is to give a concise, practical overview of the overall characterization techniques to examine weathered samples.

Protocol

1. Las muestras de acero Obtener muestras de acero de 1 mm de espesor de un proveedor comercial. Nota: Las muestras se recubrieron con poliéster o de poliéster recubierto con nanopartículas de sílice. Exponer las muestras a la luz solar en Rockhampton, Queensland, Australia: recoger muestras después de intervalos de un año y cinco años durante un período total de 5 años. Cortar paneles de muestra en discos circulares de 1 cm de diámetro utilizando perforadora. Antes de la caracterización de la superficie, enjuagar las muestras con agua bidestilada y, a continuación secar el uso de gas nitrógeno (99,99%). Mantenga todas las muestras en recipientes herméticos para evitar cualquier contaminante del aire que adsorben a la superficie (Figura 1). Figura 1. Preparación de discos de metal con recubrimiento a base de poliéster. Las muestras se almacenaron en contenedores hasta que se requiera.om / archivos / ftp_upload / 54309 / 54309fig1large.jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 2. Química y fisicoquímica Caracterización de superficies Analizar la química de superficie usando espectroscopia de fotoelectrones de rayos X. Realizar espectrometría de fotoelectrones de rayos X (XPS) usando una fuente monocromática de rayos X (Al Ka, hv = 1486,6 eV) que opera a 150 W. NOTA: Tamaño de punto de haz de rayos X utilizada es 400 micras de diámetro. Cargar las muestras en la placa de la muestra. Coloque la placa de muestra en la cámara de vacío de XPS y luego se infla la cámara. Espere a que el vacío en la cámara para llegar a ~ 1 × 10 -9 mbar. En el software de espectroscopia de fotoelectrones, pulse la opción de "cañón de proyección" para inundar las muestras con electrones de baja energía para contrarrestar la carga superficial. Pulse el botón "Insertar"> "Punto"> "Punto" para insertar un análisis point. NOTA: Este será un lugar en el que se realiza el análisis. Active la función de altura automático para obtener la mejor altura para la adquisición. Pulse el botón "Insertar"> "Spectrum"> "Multi Spectrum" para añadir exploraciones a este punto. NOTA: Se abrirá una ventana con una tabla periódica; seleccionar un elemento haciendo clic en él para resaltarlo. Después de configurar los experimentos, pulse el comando "Reproducir" para continuar las exploraciones. Presione comando "Pico Fit" y presione "Añadir pico" y "Ajustar todo nivel" comandos para resolver las especies químicamente distintas en los espectros de alta resolución. NOTA: Este paso adquirirá el algoritmo de Shirley para eliminar el fondo y Gauss-Lorentz apropiado para deconvolute los espectros 19. Seleccionar todos de alta resolución y examinar los espectros. Pulse la opción "Cambio de carga" para corregir los espectros utilizando el hydrocacomponente rbon de la (energía de enlace 285,0 eV) 1s C pico como referencia. Después de la corrección de carga, presione la opción "Exportar" para generar la tabla de datos de la concentración atómica relativa de los elementos en la base del área del pico. la química de superficies NOTA: Analizar la química de superficies usando la reflexión total atenuada infrarrojos micro-espectroscopía (ATR-IR) en el infrarrojo (IR) espectroscopia de la línea de luz en el sincrotrón de Australia de la siguiente manera: Cargar las muestras en la etapa de microscopio. Abrir un "Iniciar video de medición asistido" o la opción "Iniciar medición sin 3D". Desactivar el modo "VIS" en la. Utilice el objetivo de centrarse en superficie de la muestra. Pulse el botón "Snapshot / Información general" para tomar imágenes deseadas. NOTA: 0,5 mm de espesor de placa CaF 2 se puede utilizar como el fondo. Cambiar el objetivo ATR a la muestra. Cuidadosamente mueva la etapa de colocar un ger 45 ° multi-reflexiónmanium cristal (índice de refracción de 4) 1-2 mm por encima de las superficies. Haga clic derecho en la ventana de vídeo en directo. Pulse el botón "Iniciar medición"> "Cambio de los parámetros de medida". Elija la opción "Nunca use BG existente para todas las posiciones". NOTA: Esto no tomar en espectros de fondo para cada punto de medición. Dibujar un mapa en la pantalla de vídeo para seleccionar el área de interés. Presione un cuadrado rojo de apertura y elegir la opción "Apertura"> "Cambiar la apertura". Cambiar la configuración real "del filo de apertura" a X = 20 micras e Y = 20 micras. Haga clic derecho en la plaza de nueva apertura de tamaño y vaya a "Apertura"> "Establecer todas las aberturas para aberturas seleccionadas". Pulse el icono de "medición" para iniciar las exploraciones. Guardar los datos. NOTA: El índice de refracción del cristal de Ge es 4, por lo que una abertura de 20 micras x 20 micras definirá el tamaño del punto de 5 micras × 5 micras. This paso permitirá la creación de FTIR mapeo con una abertura de 20 por 20 m, que corresponde a una m 5 por 5 micras lugar a través del cristal a través de un alcance máximo número de onda de 4,000-850 cm – 1. Abrir archivo maestro utilizando el software de la espectroscopia. Elija el pico de interés en los espectros IR. Haga clic en el pico de interés. Seleccione la opción "Integración"> "Integración". Permitirá la creación de mapas en 2D de color falso mediciones de humectabilidad superficial NOTA: Realizar la medición de la humectabilidad con un goniómetro de ángulo de contacto equipado con un nanodispenser 19. Coloque la muestra en el escenario. Ajustar la posición del conjunto de microjeringa de manera que la parte inferior de la aguja aparece alrededor de un cuarto de un camino hacia abajo en la pantalla de la ventana de vídeo en vivo. Elevar la muestra usando eje Z hasta que la distancia entre la muestra y la superficie es de aproximadamente 5 mm. Mover la jeringa hacia abajo hasta que una gota de double destila el agua toca la superficie. Mover la jeringa hasta su posición original. Pulse el comando "Ejecutar" para grabar la gota de agua impactando en la superficie durante un período de 20 segundos utilizando una cámara CCD monocroma que está integrado con el hardware. Pulse el comando "Stop" para adquirir la serie de imágenes. Pulse "ángulo de contacto" comando para medir los ángulos de contacto de las imágenes adquiridas. Repetir las mediciones del ángulo de contacto en tres lugares al azar para cada muestra. 3. Visualización de la topografía de la superficie la medición de perfiles óptica. NOTA: El instrumento se opera bajo el modo de exploración vertical de la interferometría de luz blanca. Colocar las muestras en la platina del microscopio. NOTA: Asegurarse de que existe una brecha suficiente (por ejemplo,> 15 mm) entre la lente objetivo y el escenario. Centrarse en la superficie utilizando la5 × objetivos mediante el control del eje z hasta que las franjas aparecen en la pantalla. Presione comando "Auto" para optimizar la intensidad. Presione comando "medición" para iniciar el escaneo. Guarde los archivos maestros. Repita el paso 3.1.2 de 20 × 50 × y objetivos. Antes del análisis estadístico rugosidad, pulse "Eliminar inclinación" opción para eliminar la ondulación de la superficie. Pulse la opción "Contorno" para analizar los parámetros de rugosidad. Haga clic en la opción "3Di" para generar imágenes tridimensionales de los archivos de perfiles ópticos utilizando software compatible con 20. Fuerza atómica microscópica Colocar las muestras en discos de acero. Inserte los discos de acero en soporte magnético. Realizar análisis de AFM en modo de 21 tapping. fósforo de carga mecánicamente dopados sondas de silicio con una constante de elasticidad de 0,9 N / m, la curvatura de la punta con un radio de 8 nm y una frecuencia de resonancia de ~ 20 kHz para obtener imágenes de la superficie. <li> ajustar manualmente la reflexión láser en el voladizo. Elija el comando "Auto Tune" y presione comando "Tune" para ajustar el voladizo del AFM para alcanzar la frecuencia de resonancia óptima reportado por el fabricante. Centrarse en la superficie. Mueva la punta cerca de la superficie de la muestra. Haga clic en Participar comando para participar puntas de AFM en las superficies. Tipo "1 Hz" en la caja de velocidad de exploración. Elija las áreas de exploración. Pulse el botón "Ejecutar" orden para ejecutar la exploración. Repetir la exploración al menos por diez áreas de cada una de cinco muestras de cada condición. Elija la opción de nivelación para procesar los datos topográfica resultante. Guarde los archivos maestros. Abra el software compatible AFM. Cargar el archivo maestro de AFM. Pulse "nivelación" de comandos para eliminar la inclinación de las superficies. Pulse "Alisar" comando para eliminar el fondo. Pulse "Estadística parámetros de análisis" para generar la rugosidad estadística 21. </li> 4. Análisis estadístico Expresar los resultados en términos de valor medio y su desviación estándar. Realizar el procesamiento de datos estadísticos usando dos pruebas de cola t- emparejado de Student para evaluar la consistencia de los resultados. Establecer valor de p a <0,05 que indica el nivel de significación estadística.

Representative Results

Se recogieron las muestras de acero revestidas que habían sido sometidas a la exposición a la luz del sol, ya sea para uno o cinco años, y las mediciones del ángulo de contacto de agua se llevaron a cabo para determinar si la exposición había dado lugar a un cambio en la hidrofobicidad de la superficie de la superficie (Figura 2 ). Figura 2. Variación…

Discussion

revestimientos de poliéster se han utilizado ampliamente para proteger sustratos de acero de la corrosión que se produciría en una superficie sin recubrimiento debido a la acumulación de humedad y contaminantes. La aplicación de recubrimientos de poliéster puede proteger el acero de la corrosión; sin embargo, la eficacia a largo plazo de estos recubrimientos se ve comprometida si están expuestos a altos niveles de luz ultravioleta en condiciones de humedad, como ocurre en los climas tropicales. nanopartículas d…

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Funding from the Australian Research Council Industrial Transformation Research Hubs Scheme (Project Number IH130100017) is gratefully acknowledged. Authors gratefully acknowledge the RMIT Microscopy and Microanalysis Facility (RMMF) for providing access to the characterisation instruments. This research was also undertaken on the Infrared Microscopectroscopy beamline at the Australian Synchrotron, Victoria, Australia.

Materials

polyester-coated steel
silica nanoparticle-polyester coated steel substrata
BlueScope Steel Samples provided by company
Millipore PetriSlideTM  Fisher Scientific PDMA04700 Storing samples
Thermo ScientificTM K-alpha
X-ray Photoelectron Spectrometer
Thermo Fisher Scientific, Inc. IQLAADGAAFFACVMAHV Acquire XPS spectra
Avantage Data System Thermo Fisher Scientific, Inc. IQLAADGACKFAKRMAVI Analyse XPS spectra
A Bruker Hyperion 2000 microscope  Bruker Corporation Synchrotron integrated instrument
Bruker Opus v. 7.2 Bruker Corporation ATR-IR analysis software
Contact angle goniometer, FTA1000c First Ten Ångstroms Inc., VA, USA Measuring the wettability of surfaces
FTA v. 2.0 First Ten Ångstroms Inc., VA, USA Anaylyzing water contact angle
Optical profiler, Wyko NT1100  Bruker Corporation Measure surface topography
Innova atomic force microscope  Bruker Corporation Measure surface topography
Phosphorus doped silicon probes, MPP-31120-10 Bruker Corporation AFM probes
Gwyddion software http://gwyddion.net/ Software used to measure optical profiling and AFM data

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Truong, V. K., Stefanovic, M., Maclaughlin, S., Tobin, M., Vongsvivut, J., Al Kobaisi, M., Crawford, R. J., Ivanova, E. P. The Evolution of Silica Nanoparticle-polyester Coatings on Surfaces Exposed to Sunlight. J. Vis. Exp. (116), e54309, doi:10.3791/54309 (2016).

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