Artigo de método

A evolução de sílica Coatings nanopartículas-poliéster em superfícies expostas à luz solar

DOI:

10.3791/54309

⸱

11 de outubro de 2016

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1School of Science, Faculty of Science, Engineering and Technology, Swinburne University of Technology, 2BlueScope Steel Research, 3Infrared Microspectroscopy Beamline, Australian Synchrotron, 4School of Science, College of Science, Engineering and Health, RMIT University

Neste artigo

Resumo

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Dois tipos de superfícies, de aço e poliéster revestidos por poliéster revestido com uma camada de nanopartículas de sílica, foram estudados. Ambas as superfícies foram expostas à luz solar, o que se verificou causar alterações substanciais na química e nanoescala topografia da superfície.

Resumo

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Corrosão de superfícies metálicas é prevalente no ambiente e é de grande preocupação em muitas áreas, incluindo as indústrias militares, transporte, aviação, construção e alimentos, entre outros. Poliéster e revestimentos que contêm poliéster e nanopartículas de sílica (SiO 2 NPS) têm sido amplamente utilizados para proteger substratos de aço contra a corrosão. Neste estudo, utilizou raios-X espectroscopia de fotoelétrons, reflexão total atenuada infravermelho micro-espectroscopia, medidas de ângulo de contato com água, profiling óptica e microscopia de força atômica para fornecer uma visão sobre como a exposição ao sol pode causar alterações na micro e nanoescala integridade dos revestimentos. Nenhuma mudança significativa na superfície micro-topografia foi detectada utilizando perfilometria óptica, no entanto, alterações estatisticamente significativas em nanoescala à superfície foi detectado usando microscopia de força atómica. Análise da espectroscopia de fotoelétrons de raios-X e infravermelho micro reflexão total atenuadaespectroscopia de dados revelou que a degradação dos grupos éster tinha ocorrido através da exposição à luz ultravioleta para formar COO ·, -H 2, -O C · · ·, -CO radicais. Durante o processo de degradação, CO e CO2 foram também produzidos.

Introdução

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A corrosão ambiental de metais no meio ambiente é prevalente e dispendiosa1-3. Um estudo recente conduzido pela Australasian Corrosion Association (ACA) relatou que a corrosão de metais resultou em um custo anual de US$ 982 milhões, que foi diretamente associado à degradação de ativos e infraestrutura por meio da corrosão metálica na indústria da água4. Do ponto de vista internacional, a Organização Mundial de Corrosão estimou que a corrosão metálica foi responsável por um custo direto de US$ 3,3 trilhões, mais de 3% do PIB mundial5. O processo de galvanização como método preventivo de corrosão tem sido amplamente utilizado para aumentar a vida útil do material de aço6. Em climas úmidos e subtropicais, no entanto, a água tende a se condensar em pequenos bolsões ou ranhuras dentro da superfície do aço galvanizado, levando à aceleração das taxas de corrosão por corrosão no poço7,8. Revestimentos poliméricos termoendurecíveis à base de poliésteres foram desenvolvidos para revestir os substratos de aço galvanizado, aumentando sua capacidade de suportar condições de intempéries úmidas para itens como antenas parabólicas, móveis de jardim, aparelhos de ar condicionado ou equipamentos de construção agrícola9-11. Infelizmente, descobriu-se que os revestimentos poliméricos em superfícies de aço são consideravelmente afetados adversamente pela presença de altos níveis de radiação ultravioleta (uv)12-14. Revestimentos compostos por nanopartículas de sílica (SiO2) espalhadas sobre uma camada polimérica têm sido amplamente utilizados com o objetivo de aumentar sua resistência à corrosão, desgaste, rasgo e degradação15,16. A tendência dos revestimentos poliméricos protetores de formar poros e trincas pode ser reduzida com a incorporação de nanopartículas (NPs), que contribuem para a obstrução passiva do início da corrosão17,18. Além disso, a estabilidade mecânica da camada polimérica protetora pode ser melhorada pela inclusão de NPs. No entanto, esses revestimentos atuam como barreiras físicas passivas e, em comparação com a abordagem de galvanização, não podem inibir ativamente a propagação da corrosão.

Uma compreensão profunda do efeito que altos níveis de exposição à luz ultravioleta sob condições úmidas sobre esses revestimentos metálicos ainda não foram obtidos. Neste artigo, uma ampla gama de técnicas analíticas de superfície, incluindo espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS), microespectroscopia de infravermelho de reflexão total atenuada (ATR IR), goniometria de ângulo de contato, perfil óptico e microscopia de força atômica (AFM) serão empregadas para examinar as mudanças na superfície de revestimentos de aço preparados a partir de poliéster e poliéster revestido com nanopartículas de sílica (nanopartículas de sílica/poliéster) após exposição à luz solar. Além disso, o objetivo deste trabalho é fornecer uma visão geral concisa e prática das técnicas gerais de caracterização para examinar amostras intemperizadas.

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Protocolo

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1. As amostras de aço

  1. Obtenção de amostras de aço de 1 mm de espessura a partir de um fornecedor comercial.
    NOTA: As amostras foram revestidas com qualquer poliéster ou de poliéster revestido com nanopartículas de sílica.
  2. Expor amostras à luz solar em Rockhampton, Queensland, Austrália: recolher amostras após intervalos de um ano e cinco anos ao longo de um período total de 5 anos. Cortar painéis de exemplo para discos redondos de diâmetro de 1 cm, utilizando furador.
  3. Antes de superfície caracterização, lavar as amostras com água bidestilada, em seguida, seque com gás nitrogênio (99,99%). Mantenha todas as amostras em recipientes estanques ao ar para impedir quaisquer contaminantes do ar adsorção à superfície (Figura 1).

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Figura 1. Preparação de discos de metal com revestimento à base de poliéster. As amostras foram armazenadas em recipientes, até ser necessário.om / files / ftp_upload / 54309 / 54309fig1large.jpg "target =" _ blank "> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. Chemical e Caracterização físico-química de superfícies

  1. Analisar a química de superfície usando espectroscopia de fotoelétrons de raios-X.
    1. Realizar espectrometria de fotoelectrão de raios-X (XPS) utilizando uma fonte de raios-X monocromáticos (Al Ka, hv = 1486,6 eV) operando a 150 W.
      NOTA: Tamanho de ponto de feixe de raios X utilizado é de 400 m de diâmetro.
    2. amostras de carga na placa de amostras. Colocar a placa da amostra para dentro da câmara de vácuo de XPS, em seguida, a bomba de câmara. Espere até que o vácuo na câmara até atingir ~ 1 x 10 -9 mbar.
    3. No software de espectroscopia de fotoelétrons, pressione a opção de "Flood Gun" para inundar as amostras com elétrons de baixa energia para neutralizar carregamento superfície.
    4. Pressione o botão "Insert"> "Point"> "Point" para inserir um poin análiset.
      NOTA: Este será um local no qual a análise é efectuada. Ative a função de altura automática para obter a melhor altura para a aquisição.
    5. Pressione o botão "Insert"> "Spectrum"> "Multi Spectrum" para adicionar verificações a este ponto.
      NOTA: Isto irá abrir uma janela com uma tabela periódica; selecionar um elemento, clicando sobre ela para destacá-lo.
    6. Depois de configurar os experimentos, pressionar o comando "Play" para prosseguir os exames.
    7. Pressione Command "Peak Fit" e pressione "Adicionar Peak" e "serve para todos Nível" comandos para resolver as espécies quimicamente distintas no espectro de alta resolução.
      NOTA: Esta etapa irá adquirir o algoritmo de Shirley para remover o fundo e Gaussian-Lorentzian apropriado para deconvolute o espectro 19.
    8. Selecionar tudo alta resolução e examinar espectros. Imprensa opção "Shift Charge" para corrigir espectros usando o hydrocarbon componente da (energia de ligação 285,0 eV) 1s C pico como referência.
    9. Após a correção da carga, pressione a opção "Exportar" para gerar a tabela de dados da concentração atômica relativa de elementos na base da área de pico.
  2. química de superfície
    NOTA: Analise química de superfície utilizando infravermelho de reflexão total atenuada micro-espectroscopia (ATR-IR) no infravermelho (IR), espectroscopia de linha de luz no Synchrotron australiano como se segue:
    1. amostras de carga no palco do microscópio. Abra um "Start Video Medição Assistida" ou a opção "Start Medição sem 3D". Ative o modo "VIS" na. Use o objetivo de se concentrar na superfície da amostra. Pressione o botão "Snapshot / Overview" para tomar imagens desejadas.
      NOTA: 0,5 mm de espessura da placa CaF 2 pode ser usado como o fundo.
    2. Alterar o objetivo ATR para a amostra. Cuidadosamente mover a fase de colocar um ger 45 ° multi-reflexãomanium cristal (índice de refracção de 4) 1-2 mm acima superfícies. Clique com o botão direito do mouse sobre a janela de vídeo ao vivo. Pressione o botão "Iniciar medição"> "Alterar Parâmetros de Medição". Escolha a opção "Nunca use BG existente para todas as posições".
      NOTA: Isto irá optar por não tomar os espectros de fundo para cada ponto de medição.
    3. Desenhar um mapa na tela de vídeo para escolher a área de interesse. Pressione um quadrado vermelho de abertura e escolha "Aperture"> "Alterar abertura". Alterar as configurações reais "Knife Edge Aperture" para X = 20 mm e Y = 20 mm.
    4. Clique com o botão direito do mouse sobre a praça abertura recém-dimensionado e ir para a "Abertura"> "Definir todas as aberturas para aberturas selecionado". Pressione o ícone "Medição" para iniciar os exames. Guardar os dados.
      NOTA: O índice de refracção de Ge cristal é 4, de modo que uma abertura de 20 um x 20 um vão definir o tamanho do ponto de 5 mm x 5 mm. This etapa, será possível ajustar-se o mapeamento de FTIR com uma abertura de 20 por 20 mm, o que corresponde a um 5 mm por 5 mm através do cristal local através de uma gama de número de onda máximo de 4,000-850 cm - 1.
    5. Abrir arquivo mestre usando o software de espectroscopia. Escolha o pico de juros sobre o espectro de IR. Clique com o botão direito do mouse sobre o pico de interesse. Escolha "Integração"> "Integração". Ele permitirá a criação de mapas falsa cor 2D
  3. medições molhabilidade da superfície
    NOTA: Meça a molhabilidade usando um goniómetro ângulo de contato equipado com um nanodispenser 19.
    1. Colocar a amostra no palco. Ajustar a posição do conjunto de micro-seringa de modo que a parte inferior da agulha aparece cerca de um quarto de um caminho para baixo na tela de vídeo ao vivo janela.
    2. Levantar a amostra usando o eixo Z até que a distância entre a amostra e a superfície é de cerca de 5 mm. Mova a seringa para baixo até que uma gota de Duple água destilada toca a superfície. Mover a seringa até à sua posição original.
    3. Pressione o comando "Executar" para gravar a gota de água impactar na superfície por um período de 20 segundos usando uma câmera CCD monocromática que é integrado com hardware.
    4. Pressione o comando "Stop" para adquirir a série de imagens.
    5. Pressione "Contact Angle" comando para medir ângulos de contacto a partir de imagens adquiridas. Repita as medições do ângulo de contato em três locais aleatórios para cada amostra.

3. Visualização de a topografia da superfície

  1. medição de perfil óptico.
    NOTA: O instrumento é operado no modo de varredura interferometria vertical, luz branca.
    1. Colocar as amostras no palco do microscópio.
      NOTA: Certifique-se de que há uma lacuna suficiente (por exemplo,> 15 mm) entre a lente objectiva e o palco.
    2. Concentre-se sobre a superfície usando o5 × objetivos de controle z-eixo até que as franjas aparecem na tela. Pressione Command "Auto" para otimizar a intensidade. Imprensa comando "Medição" para iniciar a digitalização. Salve os arquivos mestre.
    3. Repita o passo 3.1.2 para 20 × e 50 × objetivos.
    4. Antes de analisar a rugosidade estatística, pressione "Remover Tilt" opção para remover a ondulação da superfície. Imprensa opção "Contour" para analisar os parâmetros de rugosidade. Clique na opção "3Di" para gerar imagens tridimensionais de arquivos de perfis ópticos usando software compatível 20.
  2. Força atômica microscópica
    1. Colocar as amostras em discos de aço. Inserir os discos de aço em suporte magnético.
    2. Realizar exames AFM no modo 21 escutas. fósforo carga mecanicamente dopado sondas de silício com uma constante de 0,9 N / m, a curvatura da ponta com um raio de 8 nm e uma frequência de ressonância do ~ 20 kHz para geração de imagens da superfície de primavera.
    3. ajustar manualmente a reflexão do laser sobre o cantilever. Escolha comando "Auto Tune" e pressione comando "Tune" para ajustar o cantilever AFM para alcançar a frequência de ressonância ideal relatado pelo fabricante.
  3. Concentre-se na superfície. Mova as pontas perto de superfície da amostra. Clique em Engage comando para envolver pontas de AFM em superfícies.
  4. Digite "1 Hz" na caixa de velocidade de varredura. Escolha as áreas de digitalização. Pressione o botão "Run" comando para executar a varredura. Repetir a pesquisa, pelo menos, durante dez áreas de cada uma das cinco amostras de cada condição.
  5. Escolha a opção de nivelamento para processar os dados topográficos resultante. Salve os arquivos mestre.
  6. Abra o software AFM compatível. Carregar o arquivo mestre AFM. Pressione "Nivelamento" comando para remover a inclinação das superfícies. Pressione "Smoothen" comando para remover o fundo.
  7. Pressione "Statistical parâmetros de análise" para gerar a rugosidade estatística 21.

4. Análise estatística

  1. Exprimir os resultados em termos de valor médio e seu desvio padrão. Executar o processamento de dados estatísticos utilizando dois testes de cauda t- pareado de Student para avaliar a consistência dos resultados. Definir valor de p a <0,05 indicando o nível de significância estatística.

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Resultados

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As amostras de aço revestidas que tinham sido sujeitos à exposição à luz solar para qualquer um ou cinco anos foram recolhidos, e de contacto da água medidas do ângulo foram realizados para determinar se a exposição resultou numa mudança na hidrofobicidade de superfície da superfície (Figura 2 ).

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Figura 2. variação molhabilidade das superfícies com poliéster ou nanopa...

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Discussão

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Os revestimentos de poliéster têm sido amplamente utilizados para proteger substratos de aço a partir da corrosão que ocorreria numa superfície não revestidas devido à acumulação de poluentes e de humidade. A aplicação de revestimentos de poliéster pode proteger o aço contra a corrosão; No entanto, a eficácia a longo prazo destes revestimentos é comprometida se eles estão expostos a altos níveis de luz ultravioleta sob condições húmidas, como ocorre em climas tropicais. nanopartículas de sílica pode ser aplicado à super...

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Divulgações

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Os autores não têm nada a divulgar.

Agradecimentos

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O financiamento do Australian Research Council Industrial Transformation Research Hubs Scheme (Project Number IH130100017) é reconhecido com gratidão. Os autores agradecem ao RMIT Microscopy and Microanalysis Facility (RMMF) por fornecer acesso aos instrumentos de caracterização. Esta pesquisa também foi realizada na linha de luz de Microscópio Infravermelho no Síncrotron Australiano, Victoria, Austrália.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
aço revestido de poliéster
sílica nanopartícula-substrato de aço revestido de poliéster		Amostras de açoBlueScope fornecidas pela empresa
Millipore PetriSlideTM Fisher ScientificPDMA04700Armazenamento de amostras
Thermo ScientificTM K-alpha
Espectrômetro de fotoelétrons de raios-X		Thermo Fisher Scientific, Inc.IQLAADGAAFFACVMAHVAdquire o sistema de dados XPS
spectra AvantageThermo Fisher Scientific, Inc.IQLAADGACKFAKRMAVIAnalise espectros XPS
Microscópio Bruker Hyperion 2000 Bruker CorporationInstrumento integrado síncrotron
Bruker Opus v. 7.2de análise ATR-IRda Bruker Corporation
Goniômetro de ângulo de contato, FTA1000cFirst Ten Å ngstroms Inc., VA, EUAMedindo a molhabilidade de superfícies
FTA v. 2.0First Ten Å ngstroms Inc., VA, USAAnalisando o ângulo de contato com a água
Perfilador óptico, Wyko NT1100 Bruker CorporationMeça a topografia da superfície
Innova microscópio de força atômicatopografia de superfícieBruker Corporation
lubrificou pontas de prova do silicone, MPP-31120-10sondas de GwyddionBruker Corporation
softwarehttp://gwyddion.net/usado para medir o perfil ótico e os dados do AFM
Software O fósforo da medida da de do compartimento de Grwyddion de

Referências

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