日光への露出表面上にシリカナノ粒子 - ポリエステルコーティングの進化

サマリー

表面の2種類のシリカナノ粒子の層でコーティングされたポリエステル被覆鋼およびポリエステルを、調べました。両表面は、表面の化学的性質およびナノトポグラフィーでの実質的な変化を引き起こすことが見出された日光に暴露しました。

要約

金属表面の腐食は、環境中で流行していると、とりわけ軍事、輸送、航空、建物や食品産業など、多くの分野での大きな関心事です。ポリエステル及びシリカナノ粒子（SiO ₂のNPS）の両方を含有するポリエステル及びコーティングは広く腐食から鋼基層を保護するために使用されてきました。本研究では、X線光電子分光法、減衰全反射赤外線マイクロ分光法、水接触角測定、光学プロファイリングおよび原子間力顕微鏡は、日光への曝露は、マイクロおよびナノスケールの完全性の変化を引き起こすことができる方法への洞察を提供するために利用しましたコーティングの。表面マイクロトポグラフィーの有意な変化は、光学プロフィロメトリーを用いて検出されなかったが、表面に統計学的に有意なナノスケールの変化は、原子間力顕微鏡を用いて検出しました。 X線光電子分光法の分析と減衰全反射赤外線マイクロ分光分析データは、エステル基の分解はCOO・、H ₂ C・、-O・、-CO・ラジカルを形成するために紫外線に暴露により生じたことを明らかにしました。分解プロセスの間に、CO及びCO ₂も作製しました。

概要

環境中の金属の環境腐食は蔓延しており、コストもかかります^1-3。オーストラリア腐食協会(ACA)が実施した最近の研究では、金属の腐食により年間9億8,200万ドルのコストが発生し、これは水産業内の金属腐食による資産とインフラストラクチャの劣化に直接関連していると報告されています⁴。国際的な観点から見ると、世界腐食機関(World Corrosion Organization)は、金属腐食が世界のGDPの3%以上にあたる3兆3,000億ドルの直接的コストの原因であると推定^{しています5。}腐食防止方法としての亜鉛メッキのプロセスは、鋼材⁶の寿命を延ばすために広く使用されています。しかし、湿度の高い亜熱帯気候では、水は亜鉛メッキ鋼の表面内の小さなポケットや溝に凝縮する傾向があり、ピット腐食^7,8による腐食速度の加速につながります。ポリエステルをベースにした熱硬化性ポリマーコーティングは、衛星放送受信アンテナ、庭の家具、空調ユニット、農業建設機械^9-11などのアイテムの湿度の高い風化条件に耐える能力を高める亜鉛メッキ鋼基層をコーティングするために開発されました。残念ながら、鋼表面のポリマーコーティングは、高レベルの紫外線(UV)放射^12-14の存在によってかなり悪影響を受けることがわかっています。ポリマー層上に広がったシリカナノ粒子(SiO₂)からなるコーティングは、それらの耐腐食性、耐摩耗性、耐引裂性および劣化性を高める目的で広く使用されている^15,16。保護高分子コーティングが細孔および亀裂を形成する傾向は、ナノ粒子(NP)を組み込むことによって減少させることができ、これは腐食開始の受動的な閉塞に寄与する^17,18。また、保護高分子層の機械的安定性は、NPsの含有によって改善することができる。しかし、これらのコーティングは受動的な物理的障壁として機能し、亜鉛メッキアプローチと比較して、腐食の伝播を積極的に抑制することはできません。

これらの金属コーティングに対する高レベルの紫外線曝露の影響についての深い理解はまだ得られていません。本稿では、X線光電子分光法(XPS)、減衰全反射赤外顕微分光法(ATR IR)、接触角ゴニオメトリー法、光学プロファイリング法、原子間力顕微鏡(AFM)などの幅広い表面分析技術を用いて、ポリエステルおよびシリカナノ粒子被覆ポリエステル(シリカナノ粒子/ポリエステル)を調製した鋼皮膜の日光照射後の表面変化について検討する。さらに、この作業の目的は、風化したサンプルを調べるための全体的な特性評価手法の簡潔で実用的な概要を提供することです。

プロトコル

1.鋼試料

1. 商業的供給業者から厚さ1mmの鋼試料を得ます。
   注：サンプルは、シリカナノ粒子でコーティングされたポリエステルまたはポリエステルのいずれかでコーティングしました。
2. ロックハンプトン、クイーンズランド州、オーストラリアでの太陽光にサンプルを公開：合計5年間で1年と5年の間隔後のサンプルを収集します。穴パンチャーを使用して、直径1cmの丸い円盤状にサンプルパネルをカットします。
3. 、特性表面ダブル蒸留水で試料を洗浄した後、窒素ガス（99.99％）を用いて乾燥する前に。表面（ 図1）に吸着する任意の空気汚染物質を防止するために気密容器内のすべてのサンプルを保管してください。

ポリエステルベースのコーティングを有する金属ディスクの作製図。必要になるまで、試料を容器に貯蔵しました。オム/ファイル/ ftp_upload / 54309 / 54309fig1large.jpg "ターゲット=" _空白 ">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

表面の2化学と物理化学的特性評価

1. X線光電子分光法を用いて表面の化学的性質を分析します。
   1. X線光電子分光法（XPS）150 W.で動作する単色X線源（アルKα、hνを= 1486.6 eVの）を使用してを実行します
      注：使用X線ビームのスポットサイズは、直径が400μmです。
   2. サンプルプレート上の負荷サンプル。その後、チャンバーをポンプXPSの真空チャンバ内にサンプルプレートを置きます。 〜1×10 ^-9ミリバールに到達するために、チャンバ内の真空を待ちます。
   3. 光電子分光法ソフトウェアでは、表面の帯電を打ち消すために、低エネルギー電子でサンプルをフラッディングする「フラッドガン」のオプションを押してください。
   4. プレス分析POINを挿入するには> "ポイント">「ポイント」を「挿入」トン。
      注：これは、分析が実行される場所です。取得のための最高の高さを得るために、自動高機能を有効にします。
   5. 押して "挿入"> "スペクトラム"> "マルチスペクトル」は、この点にスキャンを追加します。
      注：これは、周期表でウィンドウを開きます。それを強調表示し、それをクリックすることで、要素を選択します。
   6. 実験を設定した後、スキャンを続行する「再生」コマンドを押してください。
   7. 押して「ピークフィット」コマンドは、その後、「ピークを追加」と「すべてのレベルを合わせる「高分解能スペクトルの化学的に異なる種を解決するために、コマンドキーを押します。
      注：この手順は、スペクトル^19をデコンボリューションするフィッティング背景とガウスローレンツを削除するには、シャーリーアルゴリズムを取得します。
   8. すべての高解像度を選択して、スペクトルを調査。 hydrocaを使用してスペクトルを修正するために押して「電荷シフト」オプション基準として、C 1sのピーク（結合エネルギー285.0 eV）でのrbonコンポーネント。
   9. 充電補正後、プレス機「エクスポート」オプションは、ピーク面積に基づいて、要素の相対原子濃度のデータテーブルを生成します。
2. 界面化学
   注：次のようにオーストラリアのシンクロトロンの赤外線（IR）分光ビームライン上に減衰全反射赤外マイクロ分光法（ATR-IR）を用いて表面の化学的性質を分析します。
   1. 顕微鏡のステージ上の負荷サンプル。 「スタートビデオ支援測定」または「スタート測定3Dなし」オプションを開きます。 「VIS」モードをオンにします。試料表面に集中する目的に使用します。所望の画像を取るために押して、「スナップショット/概要」を参照してください。
      注：厚さ0.5mmのCaF ₂プレートは、バックグラウンドとして使用することができます。
   2. サンプルにATRの目標を変更します。慎重に45°の多重反射のGERを配置するために、ステージを移動させますmanium結晶表面上記1〜2ミリメートル（4の屈折率）。ライブビデオウィンドウを右クリックします。押して「測定開始」>「変更測定パラメータ」。オプション "すべてのポジションのために既存のBGは絶対に使用しないでください」を選択します。
      注：これは、すべての測定点のためのバックグラウンドスペクトルを取るしないことを選択します。
   3. 関心領域を選択するためにビデオ画面上の地図を描きます。赤い絞りの正方形を押し、 "絞り"> "変更絞り値」を選択します。 X = 20μmであり、Y =20μmと実際の「ナイフエッジ絞り」の設定を変更します。
   4. 新しいサイズの開口広場に右クリックし、 "絞り"に行く>」を選択した開口部に、すべての開口部を設定します」。押して「測定」アイコンは、スキャンを開始します。データを保存します。
      注：Ge結晶の屈折率は4であるため、20ミクロン×20μmの開口を5μm×5μmのスポットサイズを定義します。ティsのステップは、4,000-850センチの最大波数範囲にわたって結晶中を5μmのスポットにより5ミクロンに相当する20ミクロン20の開口部、とFTIRマッピングを設定することができます^{- 1。}
   5. 分光ソフトウェアを使用してオープンマスターファイル。 IRスペクトル上の目的のピークを選択してください。関心のピークを右クリックします。 「統合」>「統合」を選択します。これは、2D偽色マップを作成できるようになります
3. 表面の濡れ性測定
   注：ナノディスペンサー¹⁹を搭載した接触角ゴニオメーターを使用して濡れ性測定を行います。
   1. ステージ上にサンプルを置きます。針の底がダウンライブビデオウィンドウ画面内の道の約1/4表示されるように、マイクロアセンブリの位置を調整します。
   2. 試料と表面との間の距離は約5mmになるまで、z軸を使用してサンプルを上げます。 DOUBの液滴まで注射器を下に移動ル蒸留水は、表面に触れます。元の位置に注射器を上に移動します。
   3. ハードウェアと一体化されたモノクロCCDカメラを使用して、20秒の期間のための表面に衝突する水滴を記録するために、「ファイル名を指定して実行」コマンドを押してください。
   4. 一連の画像を取得するための「停止」コマンドを押してください。
   5. プレス「接触角」は、取得した画像から接触角を測定するコマンド。各サンプルのための3つのランダムな位置で接触角測定を繰り返します。

表面形状の3可視化

1. 光学プロファイリング測定。
   注：この機器は、白色光垂直走査干渉モードで運転されます。
   1. 顕微鏡のステージ上にサンプルを置きます。
      注：対物レンズとステージとの間に十分な隙間（ 例えば 、> 15ミリメートル）があることを確認してください。
   2. 使用して表面に焦点を合わせます縞が画面に表示されるまで、z軸を制御することにより、5×目標。押して「オート」コマンドは、強度を最適化することができます。押して「測定」コマンドでは、スキャンを開始します。マスターファイルを保存します。
   3. 20×50×目的のためのステップ3.1.2を繰り返します。
   4. 統計粗さの前には、表面うねりを除去するために押して「チルトを削除」オプションを分析します。押して「輪郭」オプションでは、粗さのパラメータを分析します。互換性のあるソフトウェア^20を用いた光プロファイリング・ファイルの3次元画像を生成するために、「3Di社」オプションをクリックします。
2. 原子間力顕微鏡法
   1. スチールディスクにサンプルを置きます。磁気ホルダーに鋼製のディスクを挿入します。
   2. モード^21をタッピングでAFMスキャンを実行します。機械的負荷のリンを0.9 N / mのバネ定数、8ナノメートルの半径、表面イメージングのための約20キロヘルツの共振周波数を有する先端曲率を有するシリコンプローブをドープされます。
   <李>は手動でカンチレバーにレーザー反射を調整します。メーカーによって報告された最適な共振周波数に到達するために調整するためにAFMカンチレバーを「チューニング」コマンドを押して「オートチューン」コマンドを選択します。
3. 表面に焦点を当てています。試料表面に近いヒントを移動します。表面のAFMチップに係合するようにエンゲージコマンドをクリックします。
4. 走査速度ボックスに「1ヘルツ」と入力します。走査領域を選択してください。押して「ファイル名を指定して実行」は、スキャンを実行するコマンド。各条件の5つのサンプルのそれぞれの10領域について、少なくともスキャンを繰り返します。
5. 結果の地形図データを処理するためのレベリングオプションを選択します。マスターファイルを保存します。
6. 互換性のAFMソフトウェアを開きます。 AFMのマスターファイルをロードします。押して「平準化」とは、表面の傾斜を除去するためのコマンド。背景を削除するを押して「スムーズ」コマンド。
7. 統計的な粗さ^21を生成するために押して「統計パラメータ解析」。

4.統計解析

1. 平均値とその標準偏差の点で結果を表現します。結果の一貫性を評価するために、対になった学生の両側のt-検定を用いて統計的なデータ処理を行います。統計的有意性のレベルを示す<0.05のp -値を設定します。

結果

一方又は5年間、日光への曝露に供された被覆された鋼試料を採取し、水接触角測定は、露光面の表面疎水性の変化が生じたかどうかを決定するために実施した（ 図2 ）。

日光への暴露の5年間ポリエステルまたはシリカのナノ粒子/ポリエステルコーティングを有する表面を図2濡れ性変化（シリカ/ポリエステル）（A）ゴニオメトリック画像は、表面の平衡接触角を測定するために使用される水滴を示します。露光時間の関数としての（B）水接触角（P <0.05を示す*は、それに対応するコントロール（0年）と比較しました）。データは、平均±標準偏差を示します。ource.jove.com/files/ftp_upload/54309/5...

ディスカッション

ポリエステルコーティングが広く水分及び汚染物質の蓄積にコーティングされていない表面に生じる腐食から鋼基層を保護するために使用されてきました。ポリエステルコーティングの適用は、腐食から鋼を保護することができます。それらは多湿条件下で紫外線の高レベルにさらされた場合、熱帯気候で発生しかしながらこれらのコーティングの長期の有効性が、損なわれる。シリカナノ粒子は、しかしながら、これらのシリカ含有被覆材料の環境要因の影響は、特に、それらの微小変化に関して、今まで知られていなかった、これらの環境内でこれらのコーティングのロバスト性を改善するために、ポリエステルの表面に適用することができます - およびナノスケールの表面トポグラフィー。

多くの場合、基体表面の濡れ性は、任意の表面の劣化が起こったかどうかの表示を提供することができます。接触角の測定が、（ 図2）表面に行われている可能性があり、物理的および化学的構造変化に関するいかなる詳細を提供していません。 XPSおよびATR-FTIRは、炭素含有量及びカルボニル（C = O）機能の分布の変化を決定することを可能...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
ポリエステル被覆鋼 シリカナノ粒子-ポリエステル被覆鋼基層	BlueScope鋼		サンプルは、
Millipore PetriSlideTM	フィッシャーサイエンティフィック	PDMA04700	サンプルの保管
サーモサイエンティフィックTM K-α X線光電子分光計	サーモフィッシャーサイエンティフィック	IQLAADGAAFFACVMAHV	XPSスペクトル
Avantageデータシステム	サーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社	IQLAADGACKFAKRMAVI	XPSスペクトルの分析
A Bruker Hyperion 2000顕微鏡	ブルカーコーポレーション		クロトロン統合機器
カーOpus v. 7.2	ブルカーコーポレーション		ATR-IR分析ソフトウェア
接触角ゴニオメーター、FTA1000c	First Ten Ångstroms Inc., VA, USA		表面の濡れ性の測定
FTA v. 2.0	First Ten Ångstroms Inc., VA, USA		Anaylyzing water contact angle
光学式形状測定機, Wyko NT1100	ブルカーコーポレーション		Measure surface topography
Innova原子間力顕微鏡	ブルカーコーポレーション		表面トポグラフィーの測定
リンドープシリコンプローブ、MPP-31120-10	ブルカーコーポレーション		AFMプローブ
Gwydionソフトウェア	http://gwyddion.net/		光学プロファイリングとAFMデータの測定に使用されるソフトウェア