Die Evolution der Silica-Nanopartikel-Polyester-Beschichtungen auf Oberflächen Sonnenlicht ausgesetzt

Zusammenfassung

Zwei Arten von Oberflächen, polyesterbeschichteter Stahl und Polyester beschichtet mit einer Schicht aus Siliciumdioxid-Nanoteilchen, wurden untersucht. Beide Oberflächen wurden dem Sonnenlicht ausgesetzt, die wesentliche Änderungen in der Chemie und nanoskalige Topographie der Oberfläche zu bewirken, gefunden wurde.

Zusammenfassung

Die Korrosion von metallischen Oberflächen ist weit verbreitet in der Umwelt und ist von großer Bedeutung in vielen Bereichen, einschließlich der militärischen, Transport, Luftfahrt, Bau- und Lebensmittelindustrie, unter anderem. Polyester und Beschichtungen sowohl Polyester und Silica - Nanopartikel (SiO ₂ NPs) , die verwendet worden sind , weit verbreitet Stahl substrata vor Korrosion zu schützen. In dieser Studie verwendeten wir Röntgenphotoelektronenspektroskopie, abgeschwächte Totalreflexion Infrarot-Mikrospektroskopie, Wasserkontaktwinkelmessungen, optische Profilierung und Rasterkraftmikroskopie einen Einblick, wie Sonneneinstrahlung zur Verfügung zu stellen Veränderungen in der Mikro- verursachen können und nanoskaligen Integrität der Beschichtungen. Keine signifikante Veränderung der Oberflächenmikrotopographie wurde unter Verwendung von optischen Profilometer erkannt, jedoch statistisch signifikante nanoskaligen Änderungen an der Oberfläche wurden mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie nachgewiesen. Analyse der Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie und abgeschwächte Totalreflexion Infrarot mikro-Spektroskopie Daten zeigten , dass der Abbau der Estergruppen durch Einwirkung von ultraviolettem Licht erfolgt war COO · zu bilden, -H ₂ C ·, -O ·, -CO · Radikale. Während des Abbauprozesses, CO und CO ₂ wurden ebenfalls hergestellt.

Einleitung

Environmental corrosion of metals in the environment is both prevalent and costly^1-3. A recent study conducted by the Australasian Corrosion Association (ACA) reported that corrosion of metals resulted in a yearly cost of $982 million, which was directly associated with the degradation of assets and infrastructure through metallic corrosion within the water industry⁴. From an international perspective, the World Corrosion Organization estimated that metallic corrosion was responsible for a direct cost of $3.3 trillion, over 3% of the world's GDP⁵. The process of galvanizing as a corrosion preventative method has been widely used to increase the lifespan of steel material⁶. In humid and subtropical climates, however, water tends to condense into small pockets or grooves within the surface of the galvanized steel, leading to the acceleration of corrosion rates through pit corrosion^7,8. Thermosetting polymer coatings based on polyesters have been developed to coat the galvanized steel substrata increasing their ability to withstand humid weathering conditions for items such as satellite dishes, garden furniture, air-conditioning units or agricultural construction equipment^9-11. Unfortunately polymer coatings on steel surfaces have been found to be considerably adversely affected by the presence of high levels of ultraviolet (uv) radiation^12-14. Coatings comprised of silica nanoparticles (SiO₂) spread over a polymer layer have been widely used with a view to increasing their corrosion-, wear-, tear- and degradation-resistance^15,16. The tendency of the protective polymeric coatings to form pores and cracks can be reduced by incorporating nanoparticles (NPs), which contribute to the passive obstruction of corrosion initiation^17,18. Also, the mechanical stability of the protective polymeric layer can be improved by NPs inclusion. However, these coatings act as passive physical barriers and, in comparison to the galvanization approach, cannot inhibit corrosion propagation actively.

An in-depth understanding of the effect that high-levels of ultraviolet light exposure under humid conditions upon these metal coatings is yet to be obtained. In this paper, a wide range of surface analytical techniques, including X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), attenuated total reflection infrared micro-spectroscopy (ATR IR), contact angle goniometry, optical profiling and atomic force microscopy (AFM) will be employed to examine the changes in the surface of steel coatings prepared from polyester- and silica nanoparticle-coated polyester (silica nanoparticles/polyester) after exposure to sunlight. Furthermore, the aim of this work is to give a concise, practical overview of the overall characterization techniques to examine weathered samples.

Protokoll

1. Stahlproben

1. Erhalten Stahlproben von 1 mm Dicke von einem kommerziellen Anbieter.
   HINWEIS: Die Proben wurden entweder mit Polyester oder Polyester mit Silica - Nanopartikel beschichtet.
2. Expose Proben Sonnenlicht in Rockhampton, Queensland, Australien: sammeln Proben nach einem Jahr und alle fünf Jahre auf insgesamt 5-Jahres-Zeitraum. Schneiden Sie Musterplatten in runde Scheiben von 1 cm Durchmesser unter Verwendung von Lochstanze.
3. Vor Charakterisierung von Oberflächen gründlich Proben mit Wasser doppelt destilliert und dann trocknen Stickstoffgas (99,99%). Halten Sie alle Proben in luftdichten Behältern ohne Luftverunreinigungen zu verhindern , dass die Oberfläche zu adsorbieren (Abbildung 1).

Abbildung 1. Herstellung von Metallscheiben mit Polyesterbasis Beschichtung. Die Proben wurden in Behältern aufbewahrt , bis sie benötigt.om / files / ftp_upload / 54309 / 54309fig1large.jpg "target =" _ blank "> Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

2. Chemische und physikalisch-chemische Charakterisierung von Oberflächen

1. Analysieren der Oberflächenchemie Röntgenphotoelektronenspektroskopie.
   1. Führen Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) unter Verwendung eines monochromatischen Röntgenquelle (Al K & agr;, h & ngr; = 1486,6 eV) bei 150 W. Betriebs
      HINWEIS: Spot - Größe der verwendeten Röntgenstrahls ist 400 & mgr; m im Durchmesser.
   2. Laden Sie die Proben auf der Probenplatte. Platzieren Sie die Probenplatte in die Vakuumkammer des XPS dann die Kammer zu pumpen. Warten für das Vakuum in der Kammer ~ 1 × 10 ^-9 mbar zu erreichen.
   3. In der Photoelektronenspektroskopie Software, drücken Sie die Option "Flood Gun", die Proben mit niederenergetischen Elektronen zu fluten Oberflächenladung entgegen zu wirken.
   4. Drücken Sie auf "Einfügen"> "Point"> "Punkt" eine Analyse poin einfügent.
      Hinweis: Dies wird eine Stelle , an der Analyse durchgeführt wird. Aktivieren Sie die Funktion Auto-Höhe die beste Höhe für den Erwerb zu erhalten.
   5. Drücken Sie auf "Einfügen"> "Spectrum"> "Multi Spectrum" Scans zu diesem Punkt hinzuzufügen.
      HINWEIS: Dies ist ein Fenster mit einem Periodensystem geöffnet; ein Element auswählen, indem Sie auf, um es zu markieren.
   6. Nach den Versuchen Einrichten, drücken Sie die "Play" Befehl, um die Scans zu gelangen.
   7. Drücken Sie "Peak Fit" Befehl und drücken Sie "Peak In" und "Alle Stufe anpassen" Befehle, um die chemisch verschiedenen Arten in der hochauflösenden Spektren zu lösen.
      HINWEIS: Dieser Schritt wird den Shirley Algorithmus erwerben den Hintergrund zu entfernen und Gaussian-Lorentz - Fitting die Spektren ¹⁹ bis dekonvolutieren.
   8. Wählen Sie alle hochauflösenden und Umfrage-Spektren. Drücken Sie "Charge Shift" Option Spektren zur Korrektur der hydroca mitrbon Komponente des C 1s-Peak (285,0 eV Bindungsenergie) als Referenz.
   9. Nach Ladungskorrektur, drücken Sie "Export" Option, die Datentabelle der relativen Atomkonzentration von Elementen auf der Basis der Peakfläche zu erzeugen.
2. Oberflächenchemie
   HINWEIS: Analysieren Chemie Oberfläche abgeschwächte Totalreflexion Infrarot - Mikrospektroskopie (ATR-IR) auf dem Infrarot (IR) -Spektroskopie - Strahlrohr an der Australian Synchrotron mit , wie folgend:
   1. Laden Sie die Proben auf der Bühne des Mikroskops. Öffnen Sie ein "Start Video Assisted Measurement" oder "Start Messung ohne 3D" Option. Turn "VIS" -Modus auf. Verwenden Sie das Ziel auf Probenoberfläche zu fokussieren. Drücken Sie auf "Snapshot / Übersicht" gewünschten Bilder zu nehmen.
      HINWEIS: 0,5 mm dicken CaF ₂ - Platte kann als Hintergrund verwendet werden.
   2. Ändern Sie die ATR Ziel auf die Probe. Vorsichtig die Bühne bewegen, um eine 45 ° Multi-Reflexion ger zu platzierenmanium Kristall (Brechungsindex von 4) 1-2 mm über Oberflächen. Rechtsklicken Sie auf das Live-Video-Fenster. Drücken Sie "Start Messung"> "Ändern Messparameter". Wählen Sie die Option "Verwenden Sie niemals BG bestehenden für alle Positionen".
      Hinweis: das wird nicht wählen Hintergrundspektren für jeden Messpunkt zu nehmen.
   3. Zeichnen Sie eine Karte auf Video-Bildschirm den Bereich von Interesse zu wählen. Drücken Sie eine rote Öffnung Quadrat und wählen Sie "Aperture"> "Ändern der Blende". Ändern Sie die eigentliche "Knife Edge Aperture" Einstellungen X = 20 & mgr; m und Y = 20 & mgr; m.
   4. Rechtsklick auf die neu bemessen Öffnung Platz und gehen Sie zu "Aperture"> "Alle Apertures Set an ausgewählte Apertures". Drücken Sie "Messung" Symbol, um die Scans zu starten. Speichern Sie die Daten.
      HINWEIS: Der Brechungsindex von Ge - Kristall ist 4, so dass eine Öffnung von 20 & mgr; m × 20 & mgr; m wird die Punktgröße von 5 & mgr; m × 5 & mgr; m definieren. This Schritt wird die Einrichtung FTIR - Mapping mit einer Öffnung von 20 erlauben durch 20 um, die von 5 & mgr; m Fleck durch den Kristall in einem maximalen Wellenzahlbereich von 4,000-850 cm zu einem 5 & mgr; m entspricht ^{- 1.}
   5. Offene Master-Datei-Spektroskopie-Software. Wählen Sie die Spitze des Interesses an IR-Spektren. Rechtsklicken Sie auf den Gipfel des Interesses. Wählen Sie "Integration"> "Integration". Es erlaubt 2D-Falschfarben Erstellen von Karten
3. Oberflächenbenetzbarkeit Messungen
   HINWEIS: Führen Sie eine Messung der Benetzbarkeit mit einem Kontaktwinkel - Goniometer mit einem Nanodispenser ¹⁹ ausgestattet ist .
   1. Legen Sie die Probe auf der Bühne. Stellen Sie die Position der Mikroanordnung, so dass der Boden der Nadel etwa ein Viertel des Weges erscheint unten im Live-Video-Fenster-Bildschirm.
   2. Erhöhen Sie die Probe z-Achse bis Abstand zwischen der Probe und Oberfläche mit etwa 5 mm beträgt. Bewegen Sie die Spritze, bis ein Tröpfchen von doub nach untenle destilliertes Wasser die Oberfläche berührt. Bewegen Sie die Spritze in seine ursprüngliche Position.
   3. Drücken Sie den Befehl "Ausführen" die Wassertropfen auf der Oberfläche zu erfassen für eine 20 Sekunden Zeitraum auswirken mit einem Monochrom-CCD-Kamera, die mit Hardware integriert ist.
   4. Drücken Sie die "Stop" Befehl, um die Serie von Bildern zu erwerben.
   5. Drücken Sie auf "Kontaktwinkel" Dieser Befehl Kontaktwinkel von akquirierten Bildern messen. Wiederholen Sie die Kontaktwinkelmessungen an drei zufälligen Stellen für jede Probe.

3. Visualisierung der Oberflächentopographie

1. Optische Profilmessung.
   HINWEIS: Das Gerät wird unter dem weißen Licht vertikalen Scan - Interferometrie - Modus betrieben.
   1. Platz Proben auf der Bühne des Mikroskops.
      HINWEIS: Achten Sie auf eine ausreichende Lücke (zB> 15 mm) zwischen Objektivlinse und der Bühne.
   2. Konzentrieren Sie sich auf Oberfläche mit der5 × Ziele von z-Achse, bis die Streifen auf dem Bildschirm erscheinen zu steuern. Drücken Sie auf "Auto" Befehl, um die Intensität zu optimieren. Drücken Sie "Messung" Befehl den Scan zu starten. Speichern Sie die Master-Dateien.
   3. Wiederholen Sie den Schritt 3.1.2 für 20 × und 50 × Ziele.
   4. Vor der statistischen Analysen Rauheit, drücken Sie "entfernen Tilt" Option, um die Oberflächenwelligkeit zu entfernen. Drücken Sie "Kontur" Option, um die Rauheitsparametern zu analysieren. Klicken Sie auf "3Di" Option dreidimensionale Bilder von optischen Profildateien zu erzeugen mit kompatiblen Software ^20.
2. Rasterkraftmikroskopie
   1. Prüfmuster auf Stahlscheiben. Legen Sie die Stahlscheiben in Magnethalterung.
   2. Führen Sie AFM - Scans im Tapping - Modus ^21. Mechanisch Last Phosphor Silizium-Sonden mit einer Federkonstante von 0,9 N / m, Spitzenkrümmung mit einem Radius von 8 nm und einer Resonanzfrequenz von ~ 20 kHz für Oberflächen-Belichtungs dotiert.
   3. Manuelle Einstellung der Laserreflektion auf dem Ausleger. Wählen Sie "Auto Tune" Befehl und drücken Sie "Tune" Befehl, um die AFM Cantilever abzustimmen, die optimale Resonanzfrequenz vom Hersteller angegeben, zu erreichen.
   4. Konzentrieren Sie sich auf der Oberfläche. Bewegen Sie die Spitzen der Nähe der Probenoberfläche. Klicken Sie auf Befehl Engage an AFM-Spitzen auf Oberflächen angreifen.
   5. Geben Sie "1 Hz" in Abtastgeschwindigkeit Box. Wählen Sie die Scanbereiche. Drücken Sie Befehl "Ausführen" Scan durchführen. Wiederholen Sie das Scannen mindestens für zehn Bereiche jeweils fünf Proben jeder Bedingung.
   6. Wählen Sie die Option Nivellierung des erhaltenen topographischen Daten zu verarbeiten. Speichern Sie die Master-Dateien.
   7. Öffnen Sie die kompatiblen AFM-Software. Laden Sie die AFM-Master-Datei. Drücken Sie "Leveling" Befehl, um die Neigung der Oberflächen zu entfernen. Drücken Sie "Smoothen" Befehl, um den Hintergrund zu entfernen.
   8. Drücken Sie die "Statistische Parameter - Analyse" zu erzeugen , die statistische Rauheit ^21.

4. Statistische Analyse

1. Die Ergebnisse sind in Bezug auf Mittelwert und der Standardabweichung. Führen Sie statistische Datenverarbeitung unter Verwendung von gepaarte Student-two-tailed t- Tests , um die Konsistenz der Ergebnisse zu bewerten. Set p - Wert bei <0,05 Anzeige statistische Signifikanzniveau.

Ergebnisse

Die beschichteten Stahlproben, die entweder für einen, fünf Jahren gesammelt wurden dem Sonnenlicht Belichtung unterworfen worden war, und Wasserkontaktwinkel - Messungen wurden durchgeführt , um zu bestimmen , ob die Belichtung in einer Änderung der Oberflächenhydrophobie der Oberfläche (2 geführt hatten ).

Abbildung 2. Die Benetzbark...

Diskussion

Polyester-Beschichtungen wurden weit verbreitet Stahl substrata von der Korrosion zu schützen, die aufgrund der Ansammlung von Feuchtigkeit und Schadstoffe auf einer unbeschichteten Oberfläche auftreten würde. Die Anwendung von Polyester-Beschichtungen können den Stahl vor Korrosion zu schützen; aber die längerfristige Wirksamkeit dieser Beschichtungen beeinträchtigt wird, wenn sie auf ein hohes Maß an UV-Licht unter feuchten Bedingungen ausgesetzt sind, wie in tropischen Klimazonen auftritt. Silica-Nanopartikel...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
polyester-coated steel silica nanoparticle-polyester coated steel substrata	BlueScope Steel		Samples provided by company
Millipore PetriSlideTM	Fisher Scientific	PDMA04700	Storing samples
Thermo ScientificTM K-alpha X-ray Photoelectron Spectrometer	Thermo Fisher Scientific, Inc.	IQLAADGAAFFACVMAHV	Acquire XPS spectra
Avantage Data System	Thermo Fisher Scientific, Inc.	IQLAADGACKFAKRMAVI	Analyse XPS spectra
A Bruker Hyperion 2000 microscope	Bruker Corporation		Synchrotron integrated instrument
Bruker Opus v. 7.2	Bruker Corporation		ATR-IR analysis software
Contact angle goniometer, FTA1000c	First Ten Ångstroms Inc., VA, USA		Measuring the wettability of surfaces
FTA v. 2.0	First Ten Ångstroms Inc., VA, USA		Anaylyzing water contact angle
Optical profiler, Wyko NT1100	Bruker Corporation		Measure surface topography
Innova atomic force microscope	Bruker Corporation		Measure surface topography
Phosphorus doped silicon probes, MPP-31120-10	Bruker Corporation		AFM probes
Gwyddion software	http://gwyddion.net/		Software used to measure optical profiling and AFM data