De evolutie van Silica nanodeeltjes-polyester Coatings op oppervlakken blootgesteld aan zonlicht
11 oktober 2016
Twee soorten oppervlakken, polyestergecoat staal en polyester bekleed met een laag van silica nanodeeltjes bestudeerd. Beide oppervlakken werden blootgesteld aan zonlicht en bleek aanzienlijke veranderingen in de chemie en nanoschaal topografie van het oppervlak veroorzaken.
Het algemene doel van deze methodologie is om de veranderingen in het oppervlak van staalcoatings te onderzoeken die zijn bereid uit polyester en silica nanodeeltje-gecoat polyester na blootstelling aan zonlicht. Deze methode kan helpen om belangrijke vragen te beantwoorden op industriële gebieden en gebieden zoals nono-coatings en anticorrosie. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat het een uitgebreid begrip biedt van het gedrag van nanocoatings die zijn blootgesteld aan weersinvloeden.
Het demonstreren van de procedure zal door Jitraporn Vongsvivut en Vi Khanh Truong uit onze laboratoria worden gedaan. Eerst spoelt u stalen monsters die eerder aan zonlicht zijn blootgesteld met twee keer gedestilleerd water en droogt u ze vervolgens met stikstofgas. Bewaar de monsters in een luchtdichte container om te voorkomen dat luchtverontreinigingen op het oppervlak worden geabsorbeerd.
Analyseer de chemische oppervlaktesamenstelling van het monster met behulp van geattenueerde totale reflectie-infrarood microspectroscopie, of ATRIR. Open eerst de cantilever van de ATR-eenheid en laad het monster op een aluminium schijf in de ATR-eenheid die zich op de microscoopstand bevindt. Til de monsterstandaard van de ATR-eenheid omhoog en gebruik het objectief om op het monstersoppervlak te richten.
Druk op enkele afbeeldingen en voeg een annotatie toe bij het kruishaar als middelpunt. Maak vervolgens een groter overzichtsbeeld om het gewenste gebied op het monstersoppervlak te dekken door op het beeld van groot gebied te drukken. Ga terug naar de middelste positie.
Verlaag vervolgens de ATR monsterstandaard, sluit en draai vervolgens de cantilever van de ATR-eenheid vast. Selecteer op de achtergrondpagina eenmaal achtergrond meten en klik op volgende. Op de volgende meetpagina selecteert u de huidige positie en klikt u op volgende.
Draai de handmatige pinwheel van open naar 0,3, gelijk aan een straal van 3 micron, en controleer het IR-signaal. Meet vervolgens de achtergrond door op achtergrond meten te drukken. Til het monster op de ATR monsterstandaard langzaam op om contact te maken met de ATR-kristal.
Zodra u banden observeert op het live-spectrum, tekent u een rasterkaart op het gebied van belang in de zichtbare afbeelding. Klik op volgende. Vul vervolgens de parameters in, inclusief de monstersnaam en selecteer de juiste scantijd en start de meting door op monstersteekproef te klikken.
Zodra de scan is voltooid, klikt u op herhalen. Na het opslaan van de gegevens, opent u het hoofdbestand met behulp van de spectroscopiesoftware. Kies het piek van belang op het IR-spectrum en klik er met de rechtermuisknop op.
Onder het integratietabblad kiest u integratie om tweedimensionale valse kleurenkaarten te maken. Om oppervlaktenatte meetmetingen uit te voeren, plaatst u een van de monsters op de stand van een contacthoekgoniometer uitgerust met een nanodispenser. Pas de positie van de microseringeenheid aan zodat de onderkant van de naald ongeveer een vierde van de weg af in het live videovensterscherm verschijnt.
Verhoog nu het monster met behulp van de Z-as tot de afstand tussen het monster en het oppervlak ongeveer 5 millimeter is. Laat de spuit zakken tot een druppel dubbel gedestilleerd water het oppervlak raakt. Breng vervolgens de spuit terug naar de oorspronkelijke positie.
Druk op de uitvoer opdracht om de waterdruppel die gedurende 20 seconden op het oppervlak inslaat vast te leggen met behulp van een monochroom belaste koppelapparaat, of CCD-camera die is geïntegreerd met de hardware. Druk vervolgens op de stop opdracht om een reeks afbeeldingen te verkrijgen. Druk vervolgens op de contacthoek opdracht om de contacthoeken van de verkregen afbeeldingen te meten.
Voer een optisch profileringsmeting uit door de monsters op de stand van de microscoop te drukken. Richt u op het oppervlak met behulp van de 5x objectief door de Z-as te bedienen tot de franjes op het scherm verschijnen. Druk op de automatische opdracht om de intensiteit te optimaliseren en druk vervolgens op de meetopdracht om het scannen te starten.
Sla de hoofdbestanden op. Voor statistische ruwheidsanalyse, drukt u op de verwijder optie kantelen om de oppervlaktegolving te verwijderen. Druk op de contour optie om de ruwheidsparameters te analyseren.
Klik vervolgens op de 3Di optie om driedimensionale afbeeldingen van optische profileringsbestanden te genereren met behulp van compatibele software. Plaats op dit punt de monsters op stalen schijven en plaats de stalen schijven in de magnetische houder van een atoomkrachtmicroscoop. Voer atoomkrachtmicroscopie, of AFM-scans, uit in tapping-modus.
Laad mechanisch een fosfor-gedopte siliciumsonde met een veerconstante van 0,9 newton per meter, een tipkromming met een straal van 8 nanometer en een resonantiefrequentie van ongeveer 20 kilohertz. Pas vervolgens handmatig de laserreflectie op de cantilever aan. Kies vervolgens de auto-afstelopdracht en druk op de afstelopdracht om de AFM-cantilever af te stemmen om de optimale resonantiefrequentie te bereiken die door de fabrikant wordt gerapporteerd.
Richt u op het monstersoppervlak en beweeg de AFM-tips dicht bij het oppervlak. Klik vervolgens op de engage opdracht om de AFM-tips op het oppervlak te engageren. Typ 1 hertz in het vak scanneling snelheid.
Kies de scangebieden en druk op de uitvoer opdracht om de scan uit te voeren. Kies vervolgens de optie nivelleren om de resulterende topografische gegevens te verwerken. Sla vervolgens de hoofdbestanden op.
Open de compatibele AFM-software en laad een van de AFM-hoofdbestanden. Druk op de nivellering opdracht om de kantelen van oppervlakken te verwijderen en druk op de gladmaken opdracht om de achtergrond te verwijderen. Druk ten slotte op statistische parameters analyse om de statistische ruwheid te genereren.
Watercontacthoekmetingen hebben aangetoond dat de natte eigenschappen van de polyester gecoate ondergrond niet zijn veranderd als gevolg van blootstelling aan zonlicht. Na een jaar blootstelling waren de silica nanodeeltje-polyester gecoate monsters 1,3 keer groter in hydrofobiteit dan de niet-blootgestelde monsters. De XPS-spectra gaven aan dat ijzer werd gedetecteerd op de polyester gecoate ondergrond na een
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie onderzoekt de effecten van blootstelling aan zonlicht op polyester-gecoate stalen oppervlakken en polyesteroppervlakken gecoat met silica-nanodeeltjes. Er werden significante veranderingen waargenomen in de chemie en de nanoschaal-topografie van deze oppervlakken.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Materiaalkunde
- Nanotechnologie
- Oppervlaktechemie
Achtergrond
- Het begrijpen van het gedrag van coatings onder omgevingscondities is cruciaal voor industriële toepassingen.
- Polyester- en silica-nanodeeltjescoatings worden veelvuldig gebruikt vanwege hun beschermende eigenschappen.
- Blootstelling aan zonlicht kan leiden tot degradatie en veranderingen in de materiaaleigenschappen.
- Deze studie beoogt inzicht te verschaffen in deze veranderingen voor een betere prestatie van de coating.
Doel van de studie
- Om de veranderingen in de oppervlakte-eigenschappen van polyester- en silica-nanodeeltjescoatings na blootstelling aan zonlicht te onderzoeken.
- Om belangrijke vragen op het gebied van nanocoatings en anticorrosie te beantwoorden.
- Om het begrip van de duurzaamheid van coatings onder weersomstandigheden te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Het afspoelen van staalmonsters met dubbel gedestilleerd water na blootstelling aan zonlicht.
- Het drogen van monsters met stikstofgas om contaminatie te voorkomen.
- Het bewaren van monsters in luchtdichte containers om de integriteit van het oppervlak te behouden.
- Het gebruik van geavanceerde technieken om oppervlakteveranderingen te analyseren.
Belangrijkste resultaten
- Er werden substantiële veranderingen in de chemie van de oppervlakken vastgesteld.
- Na blootstelling werden veranderingen in de topografie op nanoschaal waargenomen.
- De bevindingen dragen bij aan het begrip van de prestaties van coatings onder invloed van zonlicht.
- De verkregen inzichten kunnen toekomstige ontwikkelingen in beschermende coatings informeren.
Conclusies
- Blootstelling aan zonlicht beïnvloedt de eigenschappen van polyester- en siliciumnanodeeltjescoatings aanzienlijk.
- Het begrijpen van deze veranderingen is essentieel voor het verbeteren van coatingtechnologieën.
- Toekomstig onderzoek kan voortbouwen op deze bevindingen om de duurzaamheid van coatings te verbeteren.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Managers
Deze studie biedt cruciale inzichten in de degradatiemechanismen op nanoschaal van polymeergebaseerde beschermende coatings onder omgevingsstress, wat direct bijdraagt aan materiaalkeuze en formuleringsstrategieën voor corrosiebestendige coatings in transport, infrastructuur en industriële apparatuur. Door ultraviolet-geïnduceerde splitsing van esterbindingen te koppelen aan meetbare veranderingen in de oppervlaktetopografie en hydrofobiciteit, ondersteunt dit werk voorspellende modellering van de levensduur van coatings en faalmechanismen onder actuele weersomstandigheden. Deze bevindingen stellen R&D-teams in staat om risico's bij de ontwikkeling van coatings te verminderen door vroegtijdige chemische en nanoschaal-biomarkers van prestatieverlies te identificeren.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het mogelijk om de stabiliteit van polymeercoatings onder UV-blootstelling te onderzoeken, wat bijdraagt aan het toetsen van hypothesen over degradatiepaden in beschermende materiaalsystemen.
- Operationele waarde: Biedt een gestandaardiseerde workflow voor het detecteren van oppervlakteveranderingen op nanoschaal met AFM en chemische veranderingen via ATR-IR en XPS, waardoor de reproduceerbaarheid bij materiaalscreening in een vroeg stadium wordt verbeterd.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Faciliteert de bereiding van gevalideerde gecoate substraten voor downstream evaluatie van de milieubestendigheid, waardoor wordt gegarandeerd dat assay-systemen de effecten van verwering in de echte wereld reflecteren.
- Operationele waarde: Stelt kwantitatieve benchmarks vast voor contacthoek, ruwheid en spectrale piekverschuivingen, wat gestandaardiseerde vergelijkingen tussen verschillende coatingformuleringen mogelijk maakt.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Ondersteunt translationele continuïteit door gegevens over UV-blootstelling op laboratoriumschaal te koppelen aan langetermijnprestaties in het veld, wat bijdraagt aan de risico-gecorrigeerde verdere ontwikkeling van coatingkandidaten.
- Operationele waarde: Maakt monitoring van nanometrische topografie en chemische integriteit mogelijk als voorspellende biomarkers voor de duurzaamheid van coatings in preklinische validatiefasen.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode is geïntegreerd in het continuüm van ontdekking, van vroege materiaalkundige hypothesetests via formulatieoptimalisatie tot preklinische duurzaamheidsbeoordelingen, specifiek voor coatings die bedoeld zijn voor gebruik onder zware omgevingsomstandigheden.
- Discovery Biology: Ondersteunt mechanische risicoreductie door UV-gestuurde esterdegradatie en radicaalvorming te identificeren als belangrijke faalpaden in coatings op basis van polyester.
- Screening: Levert assay-klare, reproduceerbare gecoate oppervlakken met kwantificeerbare nanoscopische en chemische resultaten voor high-throughput screening van formuleringen.
- Analytics: Genereert multiparametrische read-outs, waaronder op AFM gebaseerde ruwheid, ATR-IR piekintegratie, XPS elementaire verschuivingen en contacthoekveranderingen, wat een uitgebreide materiaalkeuze mogelijk maakt.
- Translationeel Onderzoek: Verbindt versnelde UV-blootstellingsstudies met trends in real-world prestaties, ter ondersteuning van go/no-go beslissingen op basis van nanoscopische en chemische stabiliteitsdrempels.
- Bedrijfsmatige Herbruikbaarheid: Vestigt een herbruikbaar platform voor oppervlaktekarakterisering dat toepasbaar is op meerdere coatingsystemen en industriële sectoren, waardoor redundante methodeontwikkeling wordt verminderd.
Operationele impact & impact op de organisatie
- Wetenschappelijke waarde: Voorspellend vertrouwen in de prestaties van coatings door directe observatie van UV-geïnduceerde nanostructurering en chemische degradatie.
- Operationele waarde: Standaardisatie van monstervoorbereiding, multi-modale analyse en datainterpretatie over verschillende laboratoria en materiaalvarianten heen.
- Strategische waarde: Informeert kapitaalefficiënte R&D door vroege detectie van zwakheden in de formulering mogelijk te maken, waardoor het risico op falen in het veld in een laat stadium wordt verminderd.
- Impact op portfolio: Maakt risicogestuurde prioritering van coatingkandidaten mogelijk aan de hand van meetbare degradatiebiomarkers uit versnelde verweringsstudies.
Overwegingen bij de implementatie
- Vereist expertise in oppervlakteanalysetechnieken, waaronder AFM, ATR-IR, XPS en contactshoekgoniometrie.
- Is afhankelijk van toegang tot gekalibreerde instrumentatie voor nanoschaal topografie en chemische mapping onder gecontroleerde omgevingscondities.
- Vereist gestandaardiseerde protocollen voor monsterbehandeling om oppervlaktecontaminatie tijdens transport en opslag te voorkomen.
- Houdt rekening met aanpassingen bij het toepassen van de methode op verschillende substraatmaterialen of coatingdiktes.
- Wordt beperkt door de tijdschaal van versnelde UV-blootstelling ten opzichte van natuurlijke omgevingscycli, waardoor correlatiestudies nodig zijn voor predictieve nauwkeurigheid.
