Potentiodynamique Testing Corrosion

Résumé

Here, we present a protocol to set up and run an in vitro potentiodynamic corrosion system to analyze pitting corrosion for small metallic medical devices.

Résumé

Different metallic materials have different polarization characteristics as dictated by the open circuit potential, breakdown potential, and passivation potential of the material. The detection of these electrochemical parameters identifies the corrosion factors of a material. A reliable and well-functioning corrosion system is required to achieve this.

Corrosion of the samples was achieved via a potentiodynamic polarization technique employing a three-electrode configuration, consisting of reference, counter, and working electrodes. Prior to commencement a baseline potential is obtained. Following the stabilization of the corrosion potential (E_corr), the applied potential is ramped at a slow rate in the positive direction relative to the reference electrode. The working electrode was a stainless steel screw. The reference electrode was a standard Ag/AgCl. The counter electrode used was a platinum mesh. Having a reliable and well-functioning in vitro corrosion system to test biomaterials provides an in-expensive technique that allows for the systematic characterization of the material by determining the breakdown potential, to further understand the material's response to corrosion. The goal of the protocol is to set up and run an in vitro potentiodynamic corrosion system to analyze pitting corrosion for small metallic medical devices.

Introduction

techniques électrochimiques fournissent une méthode rapide et relativement peu coûteux pour obtenir les propriétés électrochimiques d'un matériau. Ces techniques reposent principalement sur ​​la capacité de détecter la corrosion d'un métal en observant la réaction du processus de transfert de charge à une perturbation électrochimique contrôlée ^1-5. La corrosion des implants métalliques dans un environnement de corps est critique en raison des conséquences néfastes sur la biocompatibilité et de matériel d' intégrité ^6. Le principal facteur contribuant à la corrosion des implants à l' intérieur du corps est la dissolution de l'oxyde de surface conduisant à une libération accrue d'ions métalliques ^7-11. Cela se traduit par des réactions biologiques indésirables, qui peut être trouvé localement, mais avec des effets potentiellement systémique conduisant à une défaillance prématurée de l'implant ^10,12-28.

Les caractéristiques de la corrosion d'un échantillon d'essai sont prédites à partir de l'analyse de polarisation produitepar un potentiostat. Une analyse de polarisation permet l'extrapolation des paramètres cinétiques et la corrosion d'un substrat métallique. Lors d'un balayage, l'oxydation ou la réduction d'une espèce électro-active sont limitées par le transfert de charge et le mouvement des corps réactionnels ou des produits. Tous ces facteurs sont encapsulés par le balayage de polarisation; donc l'importance d'avoir un système qui produit une analyse de polarisation fiable et reproductible sur plusieurs cycles est d'une grande importance. L'objectif principal de ce manuscrit est de fournir un protocole d'identifier les raisons et les mesures prises pour obtenir un système de corrosion potentiodynamique fonctionne bien.

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Protocole

1. Construction du titulaire échantillon

1. Construire le porte-échantillon à partir des entretoises en acier inoxydable et une vis en acier inoxydable M3 filetée, tenue en place avec un écrou hexagonal M3.
2. Retirez la tête de la vis filetée avec une pince et polir le segment de coupe pour maintenir le modèle de fil.
3. Lorsque tous les composants individuels sont prêts, assembler les porte-électrodes. Chaque porte-électrode contient trois entretoises réunies par les vis M3 résultant en une poignée de 11,5 cm. Placez les écrous hexagonaux à la jonction de la vis et des entretoises pour verrouiller la connexion.
4. Solder (60/40% Sn / Pb), une pince crocodile édenté sur la vis à l'extrémité de la tige. Cela permettra d'assurer une prise ferme pour fixer ultérieurement l'électrode lors de l'analyse.
5. Une fois que les porte-électrodes sont assemblées, appliquer plusieurs couches de laque d'arrêt-off (mastic électrique) pour empêcher les tiges en acier inoxydable de corroder tout immergé dans la chambre de la corrosion.
   1. Placez tous les porte-électrodes avec les échantillons fixés à la pince crocodile dans une hotte avant le revêtement. Placez une seringue de 20 ml dans la hotte. Utilisez la seringue pour recueillir la laque d'arrêt-off.
   2. Allumez la hotte et verser la laque d'arrêt-off dans un petit pot de verre. Tirez 10 ml d'arrêt-off laque dans la seringue et enduire la surface des porte-électrodes. Assurez-vous de ne pas couvrir l'échantillon d'essai, qui va être analysé pour la corrosion.
   3. Manteau moitié de chaque porte-électrode et place dans la hotte pour sécher avant de revêtir l'autre moitié. Cela vous aidera à obtenir une couche complète bien fermé, sans endommager les zones à revêtir. Veiller à ce que pendant la phase de séchage, les régions fraîchement enduites ne touchent pas d'autres surfaces, car cela va ruiner la couche appliquée.
   4. Placer les porte-électrodes dans une position élevée pendant le séchage sans contact à toutes les surfaces. Enduire les électrodes rapidement en raison de la solidification rapide de la laque d'arrêt-off.Ceci termine la première couche.
   5. Une fois sec, répéter le processus pour obtenir 3 couches sur toute la région.
6. Avant de commencer la course à la corrosion, laisser les détenteurs sécher pendant 24 heures après la fin de la dernière couche. Tous les procédés de revêtement se produisent à la température ambiante, sans chauffage ou de refroidissement étapes sont nécessaires même si elles peuvent accélérer / ralentir le processus de durcissement.
7. Faire une cage de faraday
   1. Construire une cage de Faraday en revêtant deux récipients en plastique de la même taille avec 4 couches de papier d'aluminium pour couvrir tous les côtés.
   2. Couper deux petits trous sur le rebord du récipient en matière plastique supérieure pour permettre la connexion de l'électrode au potentiostat et la conduite d'azote dans le réservoir d'azote à traverser. Une conception de scission de la cage de Faraday permet au composant supérieur à retirer à la fin d'une course sans avoir besoin de remplacer la partie inférieure logeant le réservoir.
   3. Monter le compartiment extérieur (de la chambre de l'eau) dans la cage de Faraday. Leave la seconde moitié sur le côté et placer sur le dessus du compartiment inférieur que lorsque le navire de la corrosion a été scellé (plus tard dans la procédure).

2. Nettoyage de la verrerie

1. Nettoyer la cuve à la corrosion (700 ml en flacon cylindrique) avant chaque cycle de corrosion. Frotter le récipient avec un détergent ménager et rincer abondamment à l'eau du robinet. Répétez cette étape 3 fois.
2. Rincer la cuve à la corrosion 3 fois avec de l'eau (DI) eau déminéralisée pour éliminer les contaminants potentiels trouvés dans l'eau du robinet.
3. Une fois le rinçage avec de l'eau DI est terminée verser 300 ml d'éthanol à 95% dans la cuve de la corrosion et tourbillonner autour de contacter toutes les surfaces internes. Verser l'éthanol et répétez cette étape 3 fois.
4. En quittant le navire à la corrosion sous une hotte pendant 30 min pour permettre à tous de l'éthanol pour évaporer complètement.
5. Prenez le bateau à la corrosion propre, sec et rincer avec l'électrolyte qui sera utilisé pour la course à la corrosion. Pour each rinçage remplir la cuve de la corrosion avec 200 ml de l'électrolyte et répétez cette procédure 3 fois. Pour cette étude, rincer le récipient à la corrosion avec un tampon phosphate salin (PBS). La composition chimique du PBS (10 L) est utilisé à travers l' électrolyte 80 g de NaCl, 11,5 g de Na ₂ HPO _4, 2 g de KCl et 2 g KHPO _4.
6. À la suite du rinçage, remplir le récipient de corrosion avec le volume requis de PBS prêt pour la réaction.

3. Mise en place d'appareils

1. Serrage d'un dispositif de chauffage avec un système de circulation intégré sur le côté du compartiment extérieur à l'aide d'une pince. La taille du compartiment extérieur doit être d'environ 30 cm x 20 cm x 20 cm et réalisé en verre ou en polymère pour être capable de loger le récipient de corrosion plus faible et le système de chauffage.
2. Remplir le compartiment extérieur avec de l'eau du robinet jusqu'à ce que le niveau d'eau est supérieure à la hauteur des électrodes en suspension à l'intérieur du récipient contre la corrosion. Le compartiment inférieurest le navire à la corrosion (décrit précédemment dans la section 2).
3. Sceller le récipient de corrosion, avec un couvercle de réaction en verre et la pince pour assurer un joint étanche à l'eau. Le couvercle de la chambre fournit six points pour appareil expérimental et de mesure d'entrée.
4. Suspendre un thermomètre, d'un des points du couvercle de réaction d'entrée pour fournir une lecture de la température dans la cellule de corrosion. Suspendre les trois électrodes du couvercle en utilisant les autres points d'entrée 3. Utilisez le polytétrafluoroéthylène (PTFE) pour garantir l'étanchéité de chaque connexion.
5. Utilisez une configuration à trois électrodes consistant en une référence, compteur, et l'électrode de travail. L'électrode de travail est la vis en acier inoxydable (spécimen en cours d'analyse). Avant d'insérer l'électrode dans la cuve de la corrosion, essuyez avec un éthanol de 80% trempé essuyez et placer dans un récipient en verre rempli de 100 ml de PBS.
6. Utilisez une broche de connexion pour fixer les porte-électrodes sur les bretelles d'électrodes. Monter le electrode des bretelles dans les points du couvercle de la cuve de la corrosion d'entrée.
7. Placez l'électrode de travail au centre avec le compteur et l'électrode de référence étant suspendu de chaque côté. Sceller le point d'entrée en verre et les bretelles de corrosion à l'aide de ruban PTFE.
8. Pour l'électrode de référence, utiliser une norme Ag / AgCl. Pour la contre-électrode, utiliser un maillage de platine qui a été légèrement pliés à enrouler autour de l'échantillon sous test (électrode de travail).
9. Remplir l'électrode Ag / AgCl avec 3 M KCl à l'aide d'une pipette. Après utilisation intensive, le changement et remplir le Ag Ag / Cl. Pour ce faire, la libération de la pointe de l'électrode pour vider le liquide dans un récipient de petite collection de verre (bécher). Une fois que toute la solution est retirée d'insérer la pointe et remplir avec 3 M KCl.
10. Utilisez du ruban adhésif sur toutes les jonctions pour assurer toute la chambre est scellée.
11. Une fois que la chambre est scellée avec toutes les électrodes placées à l'intérieur du récipient à la corrosion, régler la température à 37 ° C et d'ouvrir l'esprit de la valve d'azoteha débit de 150 cm ³ / min débit. Laissez la température et de l'azote en cours d'exécution pendant 60 min avant d'effectuer une course. Gardez l'azote en cours d'exécution pour la durée de l'expérience.

4. Exécution de l'essai de corrosion

1. Ouvrir le progiciel électrochimique, qui établit une interface avec le potentiostat commandé USB.
2. Faire les connexions électriques entre le potentiostat et les 3 électrodes, puis tourner le potentiostat sur.
3. Ouvrir et utiliser la vue "mesure" pour afficher les lectures actuels et potentiels de l'environnement à la corrosion. Au cours de la phase potentiel de circuit ouvert (OCP), où aucun potentiel de rampe est encore appliqué la lecture en cours entre le travail (potentiel positif) et contre (négatif) électrode est d'environ (0 ± 0,01) uA. L'étanchéité inadéquate de la chambre avec du ruban PTFE peut causer des fluctuations dans la lecture actuelle en raison de la chambre étant aérée avec de l'azote gazeux pour éliminer les molécules d'oxygène.
4. Quitter lel'échantillon à l'équilibre et à stabiliser dans l'environnement du récipient à la corrosion. La durée de cette variable (1 à 6 heures) et dépend de la matière. Surveiller le potentiel grâce à la vue de mesure pour déterminer si les conditions stabilisées sont atteintes. Le potentiel sera constant sans fluctuations lorsque les conditions de stabilité sont atteintes.
5. Après des conditions stables sont atteintes, commencer la course à la corrosion. Cependant avant que cela puisse se faire, remplissez le "programme de corrosion" et "voltamétrie cyclique (CV)" conditions en utilisant le modèle de squelette fourni par un logiciel d'analyse.
6. Sélectionnez la procédure voltammetry potentiostat cyclique dans la vue de configuration à partir de l'onglet de la procédure.
7. Activer les paramètres suivants pour être échantillonnés pour la corrosion run: le temps, l'électrode de travail (WE) potentiel, et le courant pour la course à la corrosion.
8. Sélectionnez l'option pour automatiser la gamme actuelle. Réglez le courant le plus élevé dans la gamme à être 10 mA, et le courant le plus faible dans la range soit 10 nA pour le WE.
9. Veiller à la sélection finale de coupure est commandée par le potentiel en définissant le «retour du cycle 'paramètre à 0,8 mV pour permettre à la boucle d'hystérésis pour terminer.
10. Enregistrez l'OCP de la vue de mesure dans la zone de texte de paramètre OCP. Réglez le début potentiel de 100 mV en dessous de la valeur OCP enregistrée. Définir le potentiel de sommet supérieur à 800 mV, le sommet inférieur à 100 mV au-dessous du potentiel de départ et le potentiel d'arrêt à 100 mV au-dessous du potentiel de sommet inférieur. Réglez la vitesse de balayage à 0,001 V / sec et le potentiel de l'étape à 0,0024 V / sec. Maintenant, appuyez sur Start.

5. Après l'achèvement de la corrosion Run

Note: Après l'achèvement de la corrosion exécuter l'analyse de polarisation est montré dans la vue de l'analyse du logiciel. Pour chaque polarisation exécuter le mode Présentateur répertorie l'OCP, la parcelle E vs t et l'escalier CV qui est une parcelle de E en fonction de Log (i).

1. Dans chaque parcelle lencre, déterminer la filtration interne des points de données, Tafel extrapolation, et les options de tracé. Développez chaque lien présenté pour montrer différents paramètres d'intérêt, qui forment collectivement les paramètres électrochimiques. L'analyse de polarisation (densité de courant par rapport à un potentiel), détermine le potentiel de circuit ouvert, opposant potentiel (E _pit) et le potentiel de protection (E _pro).
2. Tabulez anodique et constantes Tafel cathodique, le taux de corrosion, le courant de corrosion, la corrosion densité de courant, le potentiel de démarrage, et le potentiel d'extrémité sous le taux de corrosion en utilisant le lien de pente Tafel.

6. Retrait de l'échantillon du porte-électrode

1. Préparez 3 petits pots de 50 ml avec du dichlorométhane sous la hotte.
2. Prélever des échantillons testés à partir des supports d'électrode en immergeant l'extrémité inférieure du support dans le dichlorométhane pendant 30 min à l'intérieur d'un hottes.
3. Une fois détaché, placer l'échantillon dans le prochain pot dedichlorométhane et laisser reposer pendant 15 min. Répétez ce processus avec le troisième et dernier rinçage pour se débarrasser de tout excès de revêtement sur les sections de fixation de l'échantillon.
4. Essuyez le mastic restant du clip et de l'échantillon et enfin rincer avec de l'eau déminéralisée.

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Résultats

A l'issue de la procédure un système in vitro de la corrosion dans l' installation est de mener des études de corrosion. Des procédures spécifiques tels que le nettoyage de la cuve de la corrosion et la cage de Faraday ont été introduits dans le protocole pour améliorer les performances de bruit. Le concept fondamental d'une bonne analyse de polarisation est d'identifier les conditions électro-physiques du matériau fournissant des informations ...

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Discussion

Les analyses de polarisation obtenus à partir des échantillons d'acier inoxydable ont montré des parcelles continues propres corrélant avec des scans vus dans la littérature indicative d'un système qui fonctionne bien à la corrosion , qui est à la fois fiable et reproductible ^29. Une mauvaise reproductibilité des potentiels de piqûres potentiodynamiques est identifié avec un écart de quelques centaines de millivolts, avec piqûres potentiel étant caractérisé par un processus stochastiqu...

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matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
Potentiostat	Metrohm	PGSTAT101
Ag/AgCl reference electrode, shielded	Metrohm	6.0729.100
Electrode shaft	Metrohm	6.1241.060
Polisher Forcipol 1v	Metkon	3602
Clindrical flask 700 ml	SciLabware	FR700F
Reaction lid	SciLabware	MAF2/41
Dichloromethane	Sigma-Aldrich	MKBR7629V	Use under a fumehood. Wear protective clothing.
Thermo / HAAKE D Series Immersion Circulators	Haake