Potentiodynamische Corrosie Testen

Summary

Hier presenteren we een protocol om een in vitro potentiodynamisch corrosiesysteem op te zetten en te gebruiken om putcorrosie te analyseren voor kleine metalen medische apparaten.

Abstract

Verschillende metalen materialen hebben verschillende polarisatiekarakteristieken, zoals bepaald door het open-circuit potentiaal, het doorbraakpotentiaal en het passiveringspotentiaal van het materiaal. De detectie van deze elektrochemische parameters identificeert de corrosiefactoren van een materiaal. Een betrouwbaar en goed functionerend corrosiesysteem is vereist om dit te bereiken.

Corrosie van de monsters werd bereikt via een potentiodynamische polarisatietechniek met behulp van een drie-elektrode configuratie, bestaande uit referentie-, tegen- en werkelektroden. Vóór het begin wordt een basislijnpotentiaal verkregen. Na de stabilisatie van het corrosiepotentiaal (E_corr) wordt het toegepaste potentiaal met een langzame snelheid verhoogd in positieve richting ten opzichte van de referentie-elektrode. De werkelektrode was een roestvrijstalen schroef. De referentie-elektrode was een standaard Ag/AgCl. De tegen-elektrode die werd gebruikt was een platina gaas. Het hebben van een betrouwbaar en goed functionerend in vitro corrosiesysteem om biomaterialen te testen, biedt een goedkope techniek die het mogelijk maakt de systematische karakterisering van het materiaal te bepalen door het bepalen van het doorbraakpotentiaal, om het materiaalgedrag bij corrosie beter te begrijpen. Het doel van het protocol is om een in vitro potentiodynamisch corrosiesysteem op te zetten en te gebruiken om putcorrosie voor kleine metalen medische apparaten te analyseren.

Introduction

Elektrochemische technieken snel en relatief goedkope werkwijze voor de elektrochemische eigenschappen van een materiaal. Deze technieken zijn voornamelijk gebaseerd op het vermogen om corrosie van een metaal detecteren en houdt de reactie van de ladingoverdracht proces om een gecontroleerde elektrochemische verstoring ^1-5. Corrosie van metalen implantaten in een lichaamsomgeving is kritisch vanwege de nadelige gevolgen voor biocompatibiliteit en materiaalintegriteit ^6. De belangrijkste factor die bijdraagt ​​tot corrosie van implantaten in het lichaam is het oplossen van het oppervlak oxide leidt tot een verhoogde afgifte van metaalionen ^7-11. Dit resulteert in ongewenste biologische reacties te vinden lokaal met mogelijke systemische effecten leiden tot voortijdig falen van het implantaat ^10,12-28.

De corrosie eigenschappen van een proefmonster worden voorspeld uit de polarisatie scan geproduceerddoor een potentiostaat. Een polarisatie scan maakt de extrapolatie van de kinetische parameters en corrosie van een metalen substraat. Tijdens een scan, kan de oxidatie of reductie van een elektro-actieve species worden beperkt door ladingsoverdracht en de beweging van reactanten of producten. Deze factoren zijn allemaal ingekapseld door de polarisatie scan; dan ook het belang van het hebben van een systeem dat een betrouwbare en herhaalbare polarisatie scan in meerdere cycli produceert, is van groot belang. De belangrijkste focus van dit manuscript is om een ​​protocol identificatie van de beweegredenen en de stappen die zijn genomen om een ​​goed functionerend potentiodynamische corrosie systeem te verkrijgen te bieden.

Protocol

1. De bouw van de monsterhouder

1. Construct het monster houder van roestvast staal spacers en een M3 roestvrij stalen schroefdraad, op zijn plaats gehouden met een M3 zeshoekige moer.
2. Verwijder de kop van de schroefdraad met een tang en poets de cut segment om de draad patroon te behouden.
3. Bij alle afzonderlijke componenten zijn klaar, de montage van de elektrode houders. Elke elektrode houder bevat drie afstandshouders door de M3 schroeven resulteert in een 11,5 cm handvat met elkaar verbonden. Plaats de zeshoekige moeren op de kruising van de schroef en afstandhouders om de verbinding te vergrendelen.
4. Solder (60/40% Sn / Pb) een tandeloze alligator clip op de schroef aan het einde van de staaf. Dit zal zorgen voor een stevige greep naar later bevestigen de elektrode tijdens de analyse.
5. Zodra de elektrode houders worden geassembleerd, van toepassing meerdere lagen van stop-off lak (elektrische kit) om te voorkomen dat de roestvrij stalen staven van corrosie, terwijl ondergedompeld in de corrosie kamer.
   1. Plaats alle elektrode houders van de aan de alligator clip in een zuurkast voorafgaand aan coating monsters. Plaats een 20 ml spuit in de zuurkast. Gebruik de spuit om de stop-off lak te verzamelen.
   2. Schakel de zuurkast en giet de stop-off-lak in een kleine glazen pot. Trek 10 ml tussenstop lak in de spuit en laag het oppervlak van de elektrode houders. Zorg ervoor dat het monster, die zal worden geanalyseerd op corrosie niet te dekken.
   3. Bedekkinghelft van elke elektrode houder en plaats in de zuurkast drogen voor het bekleden van de andere helft. Daardoor zal het totale goed gesloten laag te verkrijgen zonder de delen te bekleden. Zorg ervoor dat tijdens het drogen, de vers beklede regio's hebben geen andere oppervlakken raken, omdat dit de aangebrachte laag zal ruïneren.
   4. Plaats de elektrode houders in een verhoogde positie tijdens het drogen zonder contact met elk oppervlak. Coat de elektroden snel als gevolg van de snelle stolling van de stop-off lak.Hiermee is de eerste laag.
   5. Eenmaal droog, herhaal het proces tot 3 lagen te verkrijgen over de gehele omgeving.
6. Voor de aanvang van de corrosie run, laat de houders te drogen gedurende 24 uur na de voltooiing van de laatste laag. Alle coating processen plaatsvinden bij kamertemperatuur, worden er geen verwarming of koeling stappen die nodig zijn, hoewel ze kunnen versnellen / vertragen het uitharden.
7. Het maken van een kooi van Faraday
   1. Construeer een kooi van Faraday door bekleding twee kunststofhouders van dezelfde grootte met 4 lagen aluminiumfolie aan alle zijden bedekken.
   2. Snijd twee kleine gaten bij de rand van de schacht plastic container naar de elektrode verbinding met de potentiostaat en stikstofleiding aan het stikstof tank doorlaten. Een gesplitste ontwerp van de kooi van Faraday kan het bovenste gedeelte te verwijderen aan het einde van een run zonder de onderste behuizingdeel de tank te vervangen.
   3. Monteer de buitenste compartiment (waterreservoir) in de kooi van Faraday. leave de tweede helft van opzij en boven op het onderste compartiment wanneer het corrosiegedrag vat is afgedicht (later in de procedure).

2. Reinigen van glaswerk

1. Maak de corrosie vat (700 ml bekerglas) voor elke corrosie run. Schrob het vat met afwasmiddel en spoel grondig met water uit de kraan. Herhaal deze stap 3 keer.
2. Spoel de corrosie vat 3 keer met gedeïoniseerd water (DI) water om eventuele verontreinigingen aangetroffen in leidingwater te verwijderen.
3. Zodra spoelen met DI water is voltooid giet 300 ml van 95% ethanol in de corrosie vat en wervelen rond contact op te nemen alle interne oppervlakken. Giet de ethanol en herhaal deze stap 3 keer.
4. Laat de corrosie vat onder een rook-kap voor 30 min om alle van de ethanol volledig te verdampen.
5. Neem de schone, droge corrosie vat en spoel het met de elektrolyt die wordt gebruikt voor de corrosie run. voor each spoel vullen corrosie vat met 200 ml van de elektrolyt en herhaal deze procedure 3 keer. Voor deze studie, spoel de corrosie vat met fosfaatgebufferde zoutoplossing (PBS). De chemische samenstelling van de PBS (10 L) elektrolyt hier gebruikt wordt 80 g NaCl, 11,5 g Na ₂ HPO _4, 2 g KCl en 2 g KHPO _4.
6. Na het spoelen, vullen corrosie vat met de vereiste hoeveelheid PBS klaar voor de reactie.

3. Instellen van de Apparatuur

1. Klem een ​​verwarming met een ingebouwde circulatiesysteem aan de zijkant van het buitenste compartiment met een klem. De afmeting van de buitenste compartiment moet ongeveer 30 cm x 20 cm x 20 cm en gemaakt van glas of polymeer kan bieden aan de corrosie kleiner vat en het verwarmingssysteem te zijn.
2. Vul het buitenste compartiment met leidingwater totdat het niveau van het water hoger is dan de hoogte van de gesuspendeerde elektroden in het vat corrosie. De kleinere compartimentis de corrosie vat (eerder beschreven in hoofdstuk 2).
3. Sluit de corrosie schip met een glas reactie deksel en klem om een ​​waterdichte afdichting te garanderen. Het deksel van de kamer kan zes toegangspunten voor experimentele en meetapparatuur.
4. Schorsen thermometer van een van de ingangen van de reactie deksel om een ​​meting van de temperatuur in de corrosiecel verschaffen. Opschorten alle drie elektroden uit het deksel met behulp van de andere 3 ingangspunten. Gebruik polytetrafluorethyleen (PTFE) tape om het zegel van elke verbinding te beveiligen.
5. Gebruik drie elektroden configuratie bestaande uit een referentie teller en werkelektrode. De werkende elektrode is de roestvrij stalen schroef (monster onder analyse). Alvorens de elektrode in de corrosie vat afnemen met een 80% ethanol geweekt vegen en in een bekerglas gevuld met 100 ml PBS.
6. Gebruik een verbinding pin op de elektrode houders op de elektrode bretels hechten. Monteer de electrode bretels in de toegangspunten van het deksel van de corrosie schip.
7. Plaats de werkende elektrode centraal met de teller en referentie-elektrode wordt opgehangen aan beide zijden. Glas sluiten entry point en de corrosie bretels met behulp van PTFE-tape.
8. Voor de referentie-elektrode, gebruik dan een standaard Ag / AgCl. Voor de teller elektrode, gebruik dan een platina mesh die losjes gebogen rond het monster te wikkelen onder test (werk elektrode) was.
9. Vul het Ag / AgCl elektrode met 3 M KCl met een pipet. Na veelvuldig gebruik, wijzigen en vul de Ag Ag / Cl. Om deze release te doen aan de punt van de elektrode te legen van de vloeistof in een klein glas collectie vat (beker). Zodra alle oplossing is verwijderd plaats de tip en vul deze met 3 M KCl.
10. Gebruik tape op alle knooppunten te zorgen voor de gehele kamer wordt afgedicht.
11. Zodra de kamer wordt afgesloten met elektroden geplaatst in de corrosie vat, de temperatuur op 37 ° C en open de stikstofventiel witha debiet van 150 cm ³ / min. Laat de temperatuur en stikstof lopen gedurende 60 minuten voordat het uitvoeren van een run. Houd stikstof lopen gedurende de duur van het experiment.

4. Running Corrosie Test

1. Open de elektrochemische software pakket, dat interfaces met de USB-gecontroleerde potentiostaat.
2. Maak de elektrische verbindingen tussen de potentiostaat en de 3 elektroden en zet de potentiostaat op.
3. Open en gebruik maken van de "meting view" om het potentieel en de huidige metingen van corrosie omgeving te bekijken. Tijdens de open circuit potentiaal (OCP) fase waarin geen oprit het potentieel van de huidige meting nog wordt aangelegd tussen de werkende (positieve potentiële) en counter (negatieve) elektrode is rond (0 ± 0,01) uA. De onjuiste afdichting van de kamer met PTFE tape kunnen schommelingen in de luchtdruk te veroorzaken door de kamer die wordt belucht met stikstofgas om zuurstofmoleculen te verwijderen.
4. Verlaat demonster equilibreren en stabiliseren zoals corrosie vat milieu. De tijdsduur voor deze varieert (1-6 uur) en is afhankelijk van het materiaal. Bewaken van de mogelijke gebruik van metingen om te bepalen of stabiele omstandigheden worden bereikt. Het potentieel constant zonder fluctuaties wanneer stabiele omstandigheden worden bereikt.
5. Na stabiele omstandigheden worden bereikt, start de corrosie run. Maar voordat dit kan worden gedaan, vult u de "corrosie programma" en "cyclische voltammetrie (CV)" omstandigheden met behulp van het skelet sjabloon door analytische software.
6. Selecteer de cyclische voltammetrie potentiostaat procedure binnen de setup uitzicht vanaf het tabblad procedure.
7. Schakel de volgende parameters te bemonsteren voor de corrosie run: de tijd, werkende elektrode (WE) potentieel, en stroom voor de corrosie run.
8. Selecteer de optie om het stroombereik automatiseren. Stel de hoogste stroom in het traject zijn 10 mA, en de laagste stroom in de range tot 10 nA voor de WE zijn.
9. Zorg ervoor dat de final cut-off selectie wordt door de potentiële gecontroleerd door het instellen van de 'cyclus back' parameter tot 0,8 mV, zodat de hysteresislus te voltooien.
10. Noteer de OCP uit de meting blik in de OCP parameter tekstvak. Stel de start potentieel 100 mV onder de geregistreerde OCP waarde. Stel de bovenste hoekpunt potentieel 800 mV, de onderste hoekpunt 100 mV onder het begin potentieel en de stop potentieel 100 mV onder de onderste hoekpunt potentieel. Stel de scansnelheid tot 0,001 V / sec en de stap potentieel om 0,0024 V / sec. Druk nu op te starten.

5. Na de voltooiing van de Corrosie Run

Opmerking: Na afloop van de corrosie werking de polarisatie scan wordt getoond binnen de analyseoverzicht van de software. Voor elke polarisatie lopen de presentator uitzicht geeft de OCP, de plot voor E vs. t en de CV trap die een grafiek is van E vs. Log (i).

1. Binnen elk perceel linkt, bepalen interne filtratie van de datapunten, Tafel extrapolatie, en plot opties. Vouw elke link voorgelegd aan verschillende parameters van belang, die gezamenlijk de elektrochemische parameters vormen tonen. De polarisatie scan (stroomdichtheid vs. potentiële), bepaalt de open circuit potentieel, pitting potentiaal (E _pit) en de mogelijke bescherming (E _pro).
2. Tabelleer de anodische en kathodische Tafel constanten, de corrosiesnelheid, de corrosie huidige, corrosie stroomdichtheid, de start potentieel, en het einde potentieel onder de mate van corrosie met behulp van de Tafel helling link.

6. Het verwijderen van het monster uit de elektrodehouder

1. Bereid 3 kleine potjes van 50 ml met dichloormethaan onder de zuurkast.
2. Verwijderen geteste monsters van de elektrode houders door onderdompeling van het ondereinde van de houder in dichloormethaan gedurende 30 minuten in een damp-kap.
3. Eenmaal los, plaatst u het monster in de volgende potdichloormethaan en laat gedurende 15 min. Herhaal dit proces met de derde en laatste spoeling om zich te ontdoen van de overtollige coating op de bijlage delen van het monster te krijgen.
4. Veeg de resterende kit uit de clip en het monster en ten slotte spoelen met DI water.

Results

Aan het einde van de procedure een in vitro corrosie systeem is opgezet om corrosie studies uit te voeren. Specifieke procedures zoals het reinigen van de corrosie vaartuig en de Faraday kooi werden in het protocol om ruis te verbeteren. Het fundamentele begrip goede polarisatie scan is de electro-lichamelijke toestand van het materiaal bestaande waardevolle informatie identificeren om de corrosie gevoeligheid van een metallisch materiaal begrijpen. De procedure en protocol dit ...

Discussion

Polarisatie scans vervaardigd uit roestvrij staal toonden schoon continue standplaatsen correleren met scans gezien in de literatuur indicatief voor een goed functionerend corrosie- die zowel betrouwbare en reproduceerbare ^29. Slechte reproduceerbaarheid van potentiodynamische pitting potentialen wordt geïdentificeerd met een spreiding van enkele honderden millivolt, met pitting potentiële wezen gekenmerkt door een stochastisch proces ^29. Dit wordt gewoonlijk door de variabelen temperatuur, halogen...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Potentiostat	Metrohm	PGSTAT101
Ag/AgCl-referentie-elektrode, afgeschermd	Metrohm	6.0729.100
Elektrodeschacht	Metrohm	6.1241.060
Polijstmachine Forcipol 1v	Metkon	3602
Cilindrische fles 700 ml	SciLabware	FR700F
Reactiedop	SciLabware	MAF2/41
Dichloormethaan	Sigma-Aldrich	MKBR7629V	Gebruik onder een afzuigkap. Draag beschermende kleding.
Thermo / HAAKE D-serie dompelcirculators	Haake