האבולוציה של ציפויי-פוליאסטר Nanoparticle סיליקה על משטחים חשופים לאור השמש

סיכום

שני סוגי המשטחים, פלדה מצופה פוליאסטר פוליאסטר מצופה בשכבת חלקיקי סיליקה, נחקרו. שני המשטחים נחשפו לאור שמש, אשר נמצא לגרום לשינויים מהותיים טופוגרפית הכימיה ננומטריים של פני השטח.

תקציר

קורוזיה על מתכת נפוצה בסביבה והוא מקור לדאגה רבה בתחומים רבים, כולל צבא, תחבורה, תעופה, ענפי בניין מזון, בין יתר. פוליאסטר וציפויים המכילים גם פוליאסטר חלקיקי סיליקה (SiO ₂ NPS) היו בשימוש נרחב כדי להגן לקרקע פלדה מפני קורוזיה. במחקר זה, השתמשנו רנטגן ספקטרוסקופיה photoelectron, אינפרא אדום הכולל השתקפות נחלש מיקרו-ספקטרוסקופיה, מדידות זווית המגע במים, פרופיל אופטי מיקרוסקופ כוח אטומי כדי לספק תובנות לגבי האופן שבו חשיפה לאור השמש יכול לגרום לשינויים מיקרו ויושרה ננומטריים של ציפויים. לא חל שינוי משמעותי ב-טופוגרפית מייקרו משטח זוהה באמצעות profilometry האופטי, לעומת זאת, שינויי ננו מובהקים סטטיסטי על פני השטח התגלו באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי. ניתוח של ספקטרוסקופיה photoelectron רנטגן והשתקפות הכולל נחלש מיקרו אינפרא אדוםנתוני ספקטרוסקופיה גילו כי השפלה של קבוצות אסתר התרחשה באמצעות חשיפה לאור אולטרה סגול כדי ליצור COO ·, -H ₂ C ·, -O ·, -CO · רדיקלים. במהלך התהליך השפל, CO ו- CO ₂ הופקו גם.

מבוא

קורוזיה סביבתית של מתכות בסביבה נפוצה ויקרה^1-3. מחקר שנערך לאחרונה על ידי האגודה האוסטרלית לקורוזיה (ACA) דיווח כי קורוזיה של מתכות הביאה לעלות שנתית של 982 מיליון דולר, אשר הייתה קשורה ישירות לפירוק נכסים ותשתיות באמצעות קורוזיה מתכתית בתעשיית המים⁴. מנקודת מבט בינלאומית, ארגון הקורוזיה העולמי העריך כי קורוזיה מתכתית אחראית לעלות ישירה של 3.3 טריליון דולר, למעלה מ-3% מהתמ"ג העולמי⁵. תהליך הגלוון כשיטה למניעת קורוזיה נמצא בשימוש נרחב כדי להגדיל את תוחלת החיים של חומר פלדה⁶. באקלים לח וסובטרופי, לעומת זאת, מים נוטים להתעבות לכיסים קטנים או חריצים בתוך פני הפלדה המגולוונת, מה שמוביל להאצת שיעורי הקורוזיה באמצעות קורוזיה בבור^7,8. ציפויים פולימריים תרמוסטיים המבוססים על פוליאסטרים פותחו כדי לצפות את שכבות הפלדה המגולוונת ולהגדיל את יכולתם לעמוד בתנאי בליה לחים עבור פריטים כגון צלחות לווין, ריהוט גן, יחידות מיזוג אוויר או ציוד בנייה חקלאי^9-11. למרבה הצער, נמצא כי ציפויים פולימריים על משטחי פלדה מושפעים לרעה במידה ניכרת מנוכחות רמות גבוהות של קרינה אולטרה סגולה (UV)^12-14. ציפויים המורכבים מננו-חלקיקי סיליקה (SiO₂) המפוזרים על פני שכבת פולימר היו בשימוש נרחב במטרה להגביר את עמידותם בפני קורוזיה, בלאי, קרע ופירוק^15,16. ניתן להפחית את הנטייה של הציפויים הפולימריים המגנים ליצור נקבוביות וסדקים על ידי שילוב ננו-חלקיקים (NPs), התורמים לחסימה פסיבית של התחלת קורוזיה^17,18. כמו כן, ניתן לשפר את היציבות המכנית של שכבת הפולימר המגן על ידי הכללת NPs. עם זאת, ציפויים אלה פועלים כמחסומים פיזיים פסיביים, ובהשוואה לגישת הגלוון, אינם יכולים לעכב את התפשטות הקורוזיה באופן פעיל.

עדיין לא הושגה הבנה מעמיקה של ההשפעה של רמות גבוהות של חשיפה לאור אולטרה סגול בתנאים לחים על ציפויי מתכת אלה. במאמר זה, ישתמשו במגוון רחב של טכניקות אנליטיות פני השטח, כולל ספקטרוסקופיה פוטו-אלקטרונית של קרני רנטגן (XPS), מיקרו-ספקטרוסקופיה אינפרא אדום מוחלשת (ATR IR), גוניומטריית זווית מגע, פרופיל אופטי ומיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) כדי לבחון את השינויים במשטח של ציפויי פלדה שהוכנו מפוליאסטר וננו-חלקיקי סיליקה מצופים פוליאסטר וננו-חלקיקי סיליקה (ננו-חלקיקי סיליקה/פוליאסטר) לאחר חשיפה לאור השמש. יתר על כן, מטרת עבודה זו היא לתת סקירה תמציתית ומעשית של טכניקות האפיון הכוללות לבחינת דגימות בלויות.

פרוטוקול

1. דוגמאות פלדה

1. להשיג דגימות פלדה בעובי 1 מ"מ מן הספק מסחרי.
   הערה: דוגמאות היו מצופות או פוליאסטר או פוליאסטר מצופה חלקיקי סיליקה.
2. לחשוף דגימות לאור השמש ב Rockhampton, קווינסלנד, אוסטרליה: לאסוף דגימות לאחר בהפרשים של שנה חמש שנים על פני תקופה של 5 שנים בסך הכל. חותכים לוחות מדגם לתוך דיסקים עגול בקוטר 1 ס"מ באמצעות אגרופן חור.
3. לפני משטח אפיון, לשטוף דגימות עם מים מזוקקים פעמיים, ולאחר מכן לייבש באמצעות גז חנקן (99.99%). שמור את כל הדגימות במיכלים אוויר חזק כדי למנוע מזהמים באוויר adsorbing אל פני השטח (איור 1).

איור 1. הכנת דיסקיות מתכת עם ציפוי פוליאסטר מבוסס. דוגמאות היו מאוחסנות במיכלים עד לרגע שימוש.om / קבצים / ftp_upload / 54,309 / 54309fig1large.jpg "target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

2. אפיון כימי physicochemical של משטחים

1. לנתח כימיה של פני השטח באמצעות ספקטרוסקופיית photoelectron רנטגן.
   1. בצע ספקטרומטריית photoelectron רנטגן (XPS) באמצעות מקור רנטגן מונוכרומטי (אל Kα, hν = 1486.6 eV) הפועלת ב 150 W.
      הערה: גודל נקודה של קרן הרנטגן מנוצל הוא 400 מיקרומטר קוטר.
   2. דגימות טענו על צלחת המדגם. מניח את הצלחת מדגם לתוך תא ואקום של XPS ואז לשאוב את התא. חכו ואקום בתא להגיע ~ 1 × 10 ^-9 mbar.
   3. ב תוכנת ספקטרוסקופיה photoelectron, לחץ על האפשרות של "המבול Gun" להציף את הדגימות עם אלקטרונים באנרגיה נמוכה כדי לנטרל טעינת שטח.
   4. לחצו על "הוספה"> "פוינט"> "פוינט" להכניס poin ניתוחt.
      הערה: זה יהיה מיקום שבו ניתוח מבוצע. הפעל את פונקציית גובה אוטומטי כדי להשיג את הגובה הכי טוב עבור הרכישה.
   5. לחץ על "הוספה"> "ספקטרום"> "ספקטרום רב" כדי להוסיף סריקות לנקודה זו.
      הערה: פעולה זו תפתח חלון עם טבלה מחזורית; לבחור אלמנט על ידי לחיצה על זה כדי להדגיש את זה.
   6. לאחר הגדרת הניסויים, לחץ על "Play" הפקודה כדי להמשיך הסריקות.
   7. לחץ "שיא Fit" פקודה ולאחר מכן קש על "הוסף שיא" ואת "Fit כל הרמה" פקודות כדי לפתור את המינים השונים הכימי בספקטרום ברזולוציה הגבוהה.
      הערה: שלב זה ירכוש את אלגוריתם שירלי להסיר את הרקע ואת גאוס-הלורנצי הולם deconvolute הספקטרום ^19.
   8. בחר את כל ברזולוציה גבוהה וסקר ספקטרה. לחץ "Shift Charge" אפשרות לתקן ספקטרום באמצעות hydrocaרכיב rbon של שיא 1s C (מחייב אנרגיה 285.0 eV) כהפניה.
   9. לאחר תיקון הטעינה, לחץ על "ייצוא" האפשרות ליצור את טבלת הנתונים של ריכוז אטומי היחסי של אלמנטים על בסיס של אזור השיא.
2. כימיה של פני שטח
   הערה: לנתח כימיה של פני השטח באמצעות מיקרו-ספקטרוסקופיה אינפרא אדום השתקפות הכולל מוחלשים (ATR-IR) על אינפרא אדום (IR) ספקטרוסקופיה beamline בבית Synchrotron האוסטרלי כדלקמן:
   1. דגימות טענו על הבמה של מיקרוסקופ. פתח "מדידת Assisted וידאו התחל" או "התחל מדידה ללא 3D" אפשרות. הפעל "VIS" במצב אונ. השתמש המטרה להתמקד שטח מדגם. לחץ "Snapshot / סקירה" לקחת תמונות רצויות.
      הערה: 0.5 מ"מ צלחת CAF ₂ עבה יכולה לשמש כרקע.
   2. שנה את מטרת ATR המדגם. בזהירות להזיז את הבמה כדי למקם גר רב-השתקפות 45 °קריסטל manium (מקדם השבירה של 4) 1-2 מ"מ מעל משטחים. לחץ לחיצה ימנית על חלון וידאו בשידור חי. "מדידה התחל" לעיתונות> "פרמטרי מידות שינוי". בחר באפשרות "לעולם אל תשתמש קיים BG עבור כל הפריטים".
      הערה: זה יבחר שלא לקחת ספקטרה רקע לכל נקודת מדידה.
   3. לשרטט מפה על מסך וידאו כדי לבחור את האזור של עניין. לחץ ריבוע צמצם אדום ולבחור "צמצם"> "צמצם שינוי". שינוי הגדרות "סכין אדג צמצם" בפועל X = 20 מיקרומטר ו Y = 20 מיקרומטר.
   4. לחץ לחיצה ימנית על כיכר צמצם בגודל החדש וללכת "צמצם"> "כוון את כל הפתחים כדי פתחים שנבחרו". "מדידה" לחץ על סמל כדי להתחיל את הסריקות. שמור את הנתונים.
      הערה: מקדם השבירה של גה קריסטל הוא 4, אז צמצם של 20 מיקרומטר × 20 מיקרומטר יגדיר את גודל נקודה של 5 מיקרומטר × 5 מיקרומטר. תיצעד ים יאפשר הגדרת מיפוי FTIR עם צמצם של 20 על ידי 20 מיקרומטר, אשר תואמים את מיקרומטר 5 על 5 מיקרומטר במקום דרך הגביש במגוון wavenumber המרבי של 4,000-850 ס"מ ^{- 1.}
   5. קובץ אב להרחיב באמצעות תוכנת ספקטרוסקופיה. בחר את השיא של ריבית על ספקטרום IR. לחץ לחיצה ימנית על השיא של עניין. בחר "אינטגרציה"> "אינטגרציה". זה יאפשר יצירת מפות צבע שווא 2D
3. מדידות יכולת רטיבות משטח
   הערה: בצע מדידת יכולת רטיבות באמצעות goniometer זווית מגע מצויד nanodispenser ^19.
   1. מניחים את המדגם על הבמה. התאם את המיקום של הרכבת microsyringe כך התחתון של מחט מופיע על הרביעית של דרך למטה במסך חלון וידאו החי.
   2. הרם את המדגם באמצעות Z- ציר עד מרחק בין המדגם לבין השטח הוא כ -5 מ"מ. הזז את המזרק עד טיפת double מים מזוקקים נוגע פני השטח. הזז את המזרק עד למיקומו המקורי.
   3. לחץ על הפקודה "הפעל" כדי להקליט את אגל המים המשפיע על פני השטח לתקופה של 20 שניות באמצעות מצלמת CCD מונוכרום אשר משולבת עם חומרה.
   4. לחץ על הפקודה "עצור" כדי לרכוש את סדרת תמונות.
   5. לחץ "לתקשר זווית" פקודה כדי למדוד זוויות מגע מתמונות רכש. חזור על מדידות זווית מגע בשלושה מוקדים אקראיים עבור כל דגימה.

ויזואליזציה 3. של הטופוגרפיה משטח

1. מדידת פרופיל אופטית.
   הערה: המכשיר מופעל תחת מצב interferometry הסריקה האנכי אור הלבן.
   1. דגימות מקום על הבמה של המיקרוסקופ.
      הערה: ודא שיש פער מספיק (למשל> 15 מ"מ) בין עדשה אובייקטיבית הבמה.
   2. דגש על משטח באמצעות5 × מטרות על ידי שליטת ציר z עד השולים המופיעים על המסך. פקודה לחץ "אוטומטית" כדי לייעל את העוצמת. לחץ "מדידה" פקודה כדי ליזום את הסריקה. שמור את הקבצים מאסטר.
   3. חזור על שלב 3.1.2 עבור 20 × 50 × מטרות.
   4. לפני חספוס סטטיסטי מנתח, לחצו על "הסר הטיה" האפשרות להסיר את גליות המשטח. אפשרות לחץ "קונטור" כדי לנתח את הפרמטרים חספוס. לחץ על אפשרות "3Di" כדי ליצור תמונות תלת ממדיות של קבצי פרופיל אופטיים באמצעות תוכנה תואמת ^20.
2. מיקרוסקופ כוח אטומי
   1. דגימות מקום על דיסקי פלדה. הכנס את דיסקי הפלדה לתוך מחזק מגנטי.
   2. לבצע סריקות AFM ב קשה במצב ^21. זרחן עומס מבחינה מכנית מסוממים בדיקות סיליקון עם קבוע קפיץ של 0.9 N / m, עקמומיות טיפ עם רדיוס של 8 ננומטר תדר תהודה של ~ 20 kHz הדמיה השטח.
   3. ידני להתאים את השתקפות הליזר על השלוחה. בחר "כוונון האוטומטי" פקודה ולאחר מכן קש "Tune" פקודה כדי לכוון את שלוחת AFM להגיע לתדר התהודה האופטימלי דיווח על ידי היצרן.
3. פוקוס על פני השטח. הזז את הטיפים קרובים שטח מדגם. הקישו על Engage הפקודה לעסוק טיפים AFM על משטחים.
4. הקלד "1 הרץ" לתוך תיבת מהירות סריקה. בחר בתחומי הסריקה. לחצו על "הפעלה" הפקודה לבצע סריקה. חזור על הסריקה לפחות במשך עשרה אזורים של כל אחד מחמש דגימות של כל תנאי.
5. בחר את אפשרות הפילוס כדי לעבד את הנתונים הטופוגרפיים שהתקבלו. שמור את הקבצים מאסטר.
6. פתח את תוכנת AFM התואמת. טען את הקובץ הראשי AFM. לחץ "פלוס" הפקודה להסיר את ההטיה של משטחים. לחץ "להחליק" פקודה כדי להסיר את הרקע.
7. לחץ "ניתוח פרמטרים סטטיסטיים" על מנת ליצור את החספוס סטטיסטי ^21.

4. ניתוח סטטיסטי

1. בטא את התוצאות במונחים של ערך ממוצע וסטיית התקן שלה. לבצע עיבוד נתונים סטטיסטי באמצעות סטודנטים לזווג זנב שתי בדיקות ה- טי להעריך את העקביות של התוצאות. P גדר -Value ב <0.05 רמת מציין של מובהקות סטטיסטיות.

תוצאות

דגימות הפלדה צופה כי היה נתון חשיפה לאור השמש במשך שנים אחד או חמש נאספו, ומדידות זווית מגע מים בוצעו על מנת לקבוע אם החשיפה ביאה לשינוי הידרופוביות השטח של המשטח (איור 2 ).

איור 2. וריאצית יכולת רטיבות של משטחים עם פוליאסטר או ננו-חלקיקי סיליקה / ציפוי פוליאסטר (סיליקה / פוליאסטר) יותר מחמש...

דיון

ציפוי פוליאסטר היה בשימוש נרחב כדי להגן לקרקע פלדה מן קורוזיה זה יתרחש על פני השטח ללא ציפוי בשל הצטברות של לחות ומזהמים. היישום של ציפוי פוליאסטר יכול להגן על הפלדה מפני קורוזיה; אולם היעילות לטווח ארוך של ציפויים אלו נפגעת אם הם נחשפים לרמות גבוהות של אור אולטרה סגול בתנאים לח, כפי שקורה באקלים טרופי. חלקיקי סיליקה יכול להיות מיושם על פני השטח של פוליאסטר לשפר את חוסנו של ציפויים אלו בתוך סביבות אלה, אולם ההשפעה של גורמים סביבתיים על חומרי ציפוי סיליקה המכיל אלה היה, עד כה, לא י...

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
פלדה מצופה פוליאסטר סיליקה ננו-חלקיקים-פוליאסטר מצופה פלדה דגימות	פלדה		המסופקות על ידי חברת
Millipore PetriSlideTM	פישר סיינטיפיק	PDMA04700	אחסון דגימות
Thermo ScientificTM K-alpha ספקטרומטר פוטו-אלקטרונים של קרני רנטגן	Thermo Fisher Scientific, Inc.	IQLAADGAAFFACVMAHV	לרכוש XPS spectra
Avantage Data System	Thermo Fisher Scientific, Inc.	ניתוח	ספקטרום XPS
מיקרוסקופ Bruker Hyperion 2000	מכשיר משולב Bruker Corporation		Synchrotron
Bruker Opus v. 7.2	Bruker Corporation		תוכנת ניתוח ATR-IR
גוניומטר זווית מגע, FTA1000c	First Ten Å ngstroms Inc., VA, ארה"ב		מדידת יכולת ההרטבה של משטחים
FTA לעומת 2.0	First Ten Å ngstroms Inc., VA, ארה"ב		זווית מגע מים Anaylyzing
פרופיל אופטי, Wyko NT1100	תאגיד		למדוד טופוגרפיה של פני השטח
מיקרוסקופ כוח אטומי Innova	Bruker Corporation		מדידת טופוגרפיה של פני השטח
בדיקות סיליקון מסוממות בזרחן, MPP-31120-10	Bruker Corporation		AFM בדיקות
Gwyddion	http://gwyddion.net/		תוכנה המשמשת למדידת פרופיל אופטי ונתוני AFM