Artículo de método

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

DOI:

10.3791/54309

11 de octubre de 2016

En este artículo

Resumen

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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.

Resumen

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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.

Introducción

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La corrosión ambiental de los metales en el medio ambiente es frecuente ycostosa 1-3. Un estudio reciente realizado por la Asociación de Corrosión de Australasia (ACA, por sus siglas en inglés) informó que la corrosión de los metales resultó en un costo anual de $ 982 millones, que estuvo directamente asociado con la degradación de activos e infraestructura a través de la corrosión metálica dentro de la industria del agua4. Desde una perspectiva internacional, la Organización Mundial de la Corrosión estimó que la corrosión metálica fue responsable de un costo directo de 3,3 billones de dólares, más del 3% del PIB mundial5. El proceso de galvanizado como método preventivo de la corrosión se ha utilizado ampliamente para aumentar la vida útil del material de acero6. Sin embargo, en climas húmedos y subtropicales, el agua tiende a condensarse en pequeñas bolsas o ranuras dentro de la superficie del acero galvanizado, lo que lleva a la aceleración de las tasas de corrosión a través de la corrosión de la fosa7,8. Los recubrimientos poliméricos termoestables a base de poliésteres han sido desarrollados para recubrir los sustratos de acero galvanizado aumentando su capacidad para soportar condiciones climáticas húmedas para elementos como antenas parabólicas, muebles de jardín, unidades de aire acondicionado o equipos de construcción agrícola9-11. Desafortunadamente, se ha encontrado que los recubrimientos de polímeros en superficies de acero se ven considerablemente afectados negativamente por la presencia de altos niveles de radiación ultravioleta (uv)12-14. Los recubrimientos compuestos por nanopartículas de sílice (SiO2) distribuidas sobre una capa polimérica han sido ampliamente utilizados con el objetivo de aumentar su resistencia a la corrosión, al desgaste, al desgarro y a la degradación15,16. La tendencia de los recubrimientos poliméricos protectores a formar poros y grietas puede reducirse mediante la incorporación de nanopartículas (NPs), que contribuyen a la obstrucción pasiva del inicio de la corrosión17,18. Además, la estabilidad mecánica de la capa polimérica protectora puede mejorarse mediante la inclusión de NPs. Sin embargo, estos recubrimientos actúan como barreras físicas pasivas y, en comparación con el enfoque de galvanización, no pueden inhibir activamente la propagación de la corrosión.

Todavía no se ha obtenido una comprensión profunda del efecto de los altos niveles de exposición a la luz ultravioleta en condiciones húmedas sobre estos recubrimientos metálicos. En este artículo, se empleará una amplia gama de técnicas analíticas de superficie, incluida la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS), la microespectroscopia infrarroja de reflexión total atenuada (ATR IR), la goniometría de ángulo de contacto, el perfil óptico y la microscopía de fuerza atómica (AFM) para examinar los cambios en la superficie de los recubrimientos de acero preparados a partir de poliéster recubierto de poliéster y nanopartículas de sílice (nanopartículas de sílice / poliéster) después de la exposición a la luz solar. Además, el objetivo de este trabajo es ofrecer una visión concisa y práctica de las técnicas generales de caracterización para examinar muestras meteorizadas.

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Protocolo

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1. Las muestras de acero

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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).

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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

  1. Analizar la química de superficie usando espectroscopia de fotoelectrones de rayos X.
    1. 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.
    2. 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.
    3. 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.
    4. 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.
    5. 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.
    6. Después de configurar los experimentos, pulse el comando "Reproducir" para continuar las exploraciones.
    7. 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.
    8. 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.
    9. 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.
  2. 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:
    1. 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.
    2. 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.
    3. 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.
    4. 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.
    5. 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
  3. mediciones de humectabilidad superficial
    NOTA: Realizar la medición de la humectabilidad con un goniómetro de ángulo de contacto equipado con un nanodispenser 19.
    1. 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.
    2. 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.
    3. 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.
    4. Pulse el comando "Stop" para adquirir la serie de imágenes.
    5. 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

  1. la medición de perfiles óptica.
    NOTA: El instrumento se opera bajo el modo de exploración vertical de la interferometría de luz blanca.
    1. 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.
    2. 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.
    3. Repita el paso 3.1.2 de 20 × 50 × y objetivos.
    4. 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.
  2. Fuerza atómica microscópica
    1. Colocar las muestras en discos de acero. Inserte los discos de acero en soporte magnético.
    2. 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.
    3. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. Elija la opción de nivelación para procesar los datos topográfica resultante. Guarde los archivos maestros.
  6. 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.
  7. Pulse "Estadística parámetros de análisis" para generar la rugosidad estadística 21.

4. Análisis estadístico

  1. 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.

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Resultados

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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 ).

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Figura 2. Variación humectabilidad d...

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Discusión

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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 de sílice ...

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Divulgaciones

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Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

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Se agradece la financiación del Programa de Centros de Investigación de Transformación Industrial del Consejo de Investigación Australiano (Número de Proyecto IH130100017). Los autores agradecen a la Instalación de Microscopía y Microanálisis RMIT (RMMF) por proporcionar acceso a los instrumentos de caracterización. Esta investigación también se llevó a cabo en la línea de luz de la microscopia infrarroja en el Sincrotrón Australiano, Victoria, Australia.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
acero recubierto de poliéster
nanopartícula de sílice-sustrato de acero recubierto de poliéster
Muestras de aceroproporcionadas por la empresa
Millipore PetriSlideTM Fisher ScientificPDMA04700 Almacenamiento de muestras
Thermo ScientificTM K-alpha
Espectrómetro de fotoelectrones de rayos X
Thermo Fisher Scientific, Inc.IQLAADGAAFFACVMAHVAdquisición de XPS spectra
Avantage Data SystemThermo Fisher Scientific, Inc.IQLAADGACKFAKRMAVIAnalizar espectros XPS
Un microscopio Bruker Hyperion 2000 Bruker CorporationInstrumento integrado de sincrotrón
Bruker Opus v. 7.2Bruker CorporationSoftware de análisis ATR-IR
Goniómetro de ángulo de contacto, FTA1000cFirst Ten Å ngstroms Inc., VA, EE. UUMedición de la humectabilidad de las superficies
FTA v. 2.0First Ten Å ngstroms Inc., VA, EE. UUPerfilador óptico de ángulo de contacto con el agua de análisis
, Wyko NT1100 Bruker CorporationMedir la topografía de la superficie
Microscopio de fuerza atómica Innova Bruker CorporationMedición de la topografía de la superficie
Sondas de silicio dopadas con fósforo, MPP-31120-10Sondas AFM deBruker Corporation
Software Gwyddionhttp://gwyddion.net/Software utilizado para medir el perfilado óptico y los datos AFM
BlueScope . .

Referencias

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