האבולוציה של ציפויי-פוליאסטר Nanoparticle סיליקה על משטחים חשופים לאור השמש

Summary

שני סוגי המשטחים, פלדה מצופה פוליאסטר פוליאסטר מצופה בשכבת חלקיקי סיליקה, נחקרו. שני המשטחים נחשפו לאור שמש, אשר נמצא לגרום לשינויים מהותיים טופוגרפית הכימיה ננומטריים של פני השטח.

Abstract

קורוזיה על מתכת נפוצה בסביבה והוא מקור לדאגה רבה בתחומים רבים, כולל צבא, תחבורה, תעופה, ענפי בניין מזון, בין יתר. פוליאסטר וציפויים המכילים גם פוליאסטר חלקיקי סיליקה (SiO ₂ NPS) היו בשימוש נרחב כדי להגן לקרקע פלדה מפני קורוזיה. במחקר זה, השתמשנו רנטגן ספקטרוסקופיה photoelectron, אינפרא אדום הכולל השתקפות נחלש מיקרו-ספקטרוסקופיה, מדידות זווית המגע במים, פרופיל אופטי מיקרוסקופ כוח אטומי כדי לספק תובנות לגבי האופן שבו חשיפה לאור השמש יכול לגרום לשינויים מיקרו ויושרה ננומטריים של ציפויים. לא חל שינוי משמעותי ב-טופוגרפית מייקרו משטח זוהה באמצעות profilometry האופטי, לעומת זאת, שינויי ננו מובהקים סטטיסטי על פני השטח התגלו באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי. ניתוח של ספקטרוסקופיה photoelectron רנטגן והשתקפות הכולל נחלש מיקרו אינפרא אדוםנתוני ספקטרוסקופיה גילו כי השפלה של קבוצות אסתר התרחשה באמצעות חשיפה לאור אולטרה סגול כדי ליצור COO ·, -H ₂ C ·, -O ·, -CO · רדיקלים. במהלך התהליך השפל, CO ו- CO ₂ הופקו גם.

Introduction

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.

Protocol

1. דוגמאות פלדה

1. להשיג דגימות פלדה בעובי 1 מ"מ מן הספק מסחרי.
   הערה: דוגמאות היו מצופות או פוליאסטר או פוליאסטר מצופה חלקיקי סיליקה.
2. לחשוף דגימות לאור השמש ב Rockhampton, קווינסלנד, אוסטרליה: לאסוף דגימות לאחר בהפרשים של שנה חמש שנים על פני תקופה של 5 שנים בסך הכל. חותכים לוחות מדגם לתוך דיסקים עגול בקוטר 1 ס"מ באמצעות אגרופן חור.
3. לפני משטח אפיון, לשטוף דגימות עם מים מזוקקים פעמיים, ולאחר מכן לייבש באמצעות גז חנקן (99.99%). שמור את כל הדגימות במיכלים אוויר חזק כדי למנוע מזהמים באוויר adsorbing אל פני השטח (איור 1).

איור 1. הכנת דיסקיות מתכת עם ציפוי פוליאסטר מבוסס. דוגמאות היו מאוחסנות במיכלים עד לרגע שימוש.om / קבצים / ftp_upload / 54,309 / 54309fig1large.jpg "target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

2. אפיון כימי physicochemical של משטחים

1. לנתח כימיה של פני השטח באמצעות ספקטרוסקופיית photoelectron רנטגן.
   1. בצע ספקטרומטריית photoelectron רנטגן (XPS) באמצעות מקור רנטגן מונוכרומטי (אל Kα, hν = 1486.6 eV) הפועלת ב 150 W.
      הערה: גודל נקודה של קרן הרנטגן מנוצל הוא 400 מיקרומטר קוטר.
   2. דגימות טענו על צלחת המדגם. מניח את הצלחת מדגם לתוך תא ואקום של XPS ואז לשאוב את התא. חכו ואקום בתא להגיע ~ 1 × 10 ^-9 mbar.
   3. ב תוכנת ספקטרוסקופיה photoelectron, לחץ על האפשרות של "המבול Gun" להציף את הדגימות עם אלקטרונים באנרגיה נמוכה כדי לנטרל טעינת שטח.
   4. לחצו על "הוספה"> "פוינט"> "פוינט" להכניס poin ניתוחt.
      הערה: זה יהיה מיקום שבו ניתוח מבוצע. הפעל את פונקציית גובה אוטומטי כדי להשיג את הגובה הכי טוב עבור הרכישה.
   5. לחץ על "הוספה"> "ספקטרום"> "ספקטרום רב" כדי להוסיף סריקות לנקודה זו.
      הערה: פעולה זו תפתח חלון עם טבלה מחזורית; לבחור אלמנט על ידי לחיצה על זה כדי להדגיש את זה.
   6. לאחר הגדרת הניסויים, לחץ על "Play" הפקודה כדי להמשיך הסריקות.
   7. לחץ "שיא Fit" פקודה ולאחר מכן קש על "הוסף שיא" ואת "Fit כל הרמה" פקודות כדי לפתור את המינים השונים הכימי בספקטרום ברזולוציה הגבוהה.
      הערה: שלב זה ירכוש את אלגוריתם שירלי להסיר את הרקע ואת גאוס-הלורנצי הולם deconvolute הספקטרום ^19.
   8. בחר את כל ברזולוציה גבוהה וסקר ספקטרה. לחץ "Shift Charge" אפשרות לתקן ספקטרום באמצעות hydrocaרכיב rbon של שיא 1s C (מחייב אנרגיה 285.0 eV) כהפניה.
   9. לאחר תיקון הטעינה, לחץ על "ייצוא" האפשרות ליצור את טבלת הנתונים של ריכוז אטומי היחסי של אלמנטים על בסיס של אזור השיא.
2. כימיה של פני שטח
   הערה: לנתח כימיה של פני השטח באמצעות מיקרו-ספקטרוסקופיה אינפרא אדום השתקפות הכולל מוחלשים (ATR-IR) על אינפרא אדום (IR) ספקטרוסקופיה beamline בבית Synchrotron האוסטרלי כדלקמן:
   1. דגימות טענו על הבמה של מיקרוסקופ. פתח "מדידת Assisted וידאו התחל" או "התחל מדידה ללא 3D" אפשרות. הפעל "VIS" במצב אונ. השתמש המטרה להתמקד שטח מדגם. לחץ "Snapshot / סקירה" לקחת תמונות רצויות.
      הערה: 0.5 מ"מ צלחת CAF ₂ עבה יכולה לשמש כרקע.
   2. שנה את מטרת ATR המדגם. בזהירות להזיז את הבמה כדי למקם גר רב-השתקפות 45 °קריסטל manium (מקדם השבירה של 4) 1-2 מ"מ מעל משטחים. לחץ לחיצה ימנית על חלון וידאו בשידור חי. "מדידה התחל" לעיתונות> "פרמטרי מידות שינוי". בחר באפשרות "לעולם אל תשתמש קיים BG עבור כל הפריטים".
      הערה: זה יבחר שלא לקחת ספקטרה רקע לכל נקודת מדידה.
   3. לשרטט מפה על מסך וידאו כדי לבחור את האזור של עניין. לחץ ריבוע צמצם אדום ולבחור "צמצם"> "צמצם שינוי". שינוי הגדרות "סכין אדג צמצם" בפועל X = 20 מיקרומטר ו Y = 20 מיקרומטר.
   4. לחץ לחיצה ימנית על כיכר צמצם בגודל החדש וללכת "צמצם"> "כוון את כל הפתחים כדי פתחים שנבחרו". "מדידה" לחץ על סמל כדי להתחיל את הסריקות. שמור את הנתונים.
      הערה: מקדם השבירה של גה קריסטל הוא 4, אז צמצם של 20 מיקרומטר × 20 מיקרומטר יגדיר את גודל נקודה של 5 מיקרומטר × 5 מיקרומטר. תיצעד ים יאפשר הגדרת מיפוי FTIR עם צמצם של 20 על ידי 20 מיקרומטר, אשר תואמים את מיקרומטר 5 על 5 מיקרומטר במקום דרך הגביש במגוון wavenumber המרבי של 4,000-850 ס"מ ^{- 1.}
   5. קובץ אב להרחיב באמצעות תוכנת ספקטרוסקופיה. בחר את השיא של ריבית על ספקטרום IR. לחץ לחיצה ימנית על השיא של עניין. בחר "אינטגרציה"> "אינטגרציה". זה יאפשר יצירת מפות צבע שווא 2D
3. מדידות יכולת רטיבות משטח
   הערה: בצע מדידת יכולת רטיבות באמצעות goniometer זווית מגע מצויד nanodispenser ^19.
   1. מניחים את המדגם על הבמה. התאם את המיקום של הרכבת microsyringe כך התחתון של מחט מופיע על הרביעית של דרך למטה במסך חלון וידאו החי.
   2. הרם את המדגם באמצעות Z- ציר עד מרחק בין המדגם לבין השטח הוא כ -5 מ"מ. הזז את המזרק עד טיפת double מים מזוקקים נוגע פני השטח. הזז את המזרק עד למיקומו המקורי.
   3. לחץ על הפקודה "הפעל" כדי להקליט את אגל המים המשפיע על פני השטח לתקופה של 20 שניות באמצעות מצלמת CCD מונוכרום אשר משולבת עם חומרה.
   4. לחץ על הפקודה "עצור" כדי לרכוש את סדרת תמונות.
   5. לחץ "לתקשר זווית" פקודה כדי למדוד זוויות מגע מתמונות רכש. חזור על מדידות זווית מגע בשלושה מוקדים אקראיים עבור כל דגימה.

ויזואליזציה 3. של הטופוגרפיה משטח

1. מדידת פרופיל אופטית.
   הערה: המכשיר מופעל תחת מצב interferometry הסריקה האנכי אור הלבן.
   1. דגימות מקום על הבמה של המיקרוסקופ.
      הערה: ודא שיש פער מספיק (למשל> 15 מ"מ) בין עדשה אובייקטיבית הבמה.
   2. דגש על משטח באמצעות5 × מטרות על ידי שליטת ציר z עד השולים המופיעים על המסך. פקודה לחץ "אוטומטית" כדי לייעל את העוצמת. לחץ "מדידה" פקודה כדי ליזום את הסריקה. שמור את הקבצים מאסטר.
   3. חזור על שלב 3.1.2 עבור 20 × 50 × מטרות.
   4. לפני חספוס סטטיסטי מנתח, לחצו על "הסר הטיה" האפשרות להסיר את גליות המשטח. אפשרות לחץ "קונטור" כדי לנתח את הפרמטרים חספוס. לחץ על אפשרות "3Di" כדי ליצור תמונות תלת ממדיות של קבצי פרופיל אופטיים באמצעות תוכנה תואמת ^20.
2. מיקרוסקופ כוח אטומי
   1. דגימות מקום על דיסקי פלדה. הכנס את דיסקי הפלדה לתוך מחזק מגנטי.
   2. לבצע סריקות AFM ב קשה במצב ^21. זרחן עומס מבחינה מכנית מסוממים בדיקות סיליקון עם קבוע קפיץ של 0.9 N / m, עקמומיות טיפ עם רדיוס של 8 ננומטר תדר תהודה של ~ 20 kHz הדמיה השטח.
   3. ידני להתאים את השתקפות הליזר על השלוחה. בחר "כוונון האוטומטי" פקודה ולאחר מכן קש "Tune" פקודה כדי לכוון את שלוחת AFM להגיע לתדר התהודה האופטימלי דיווח על ידי היצרן.
   4. פוקוס על פני השטח. הזז את הטיפים קרובים שטח מדגם. הקישו על Engage הפקודה לעסוק טיפים AFM על משטחים.
   5. הקלד "1 הרץ" לתוך תיבת מהירות סריקה. בחר בתחומי הסריקה. לחצו על "הפעלה" הפקודה לבצע סריקה. חזור על הסריקה לפחות במשך עשרה אזורים של כל אחד מחמש דגימות של כל תנאי.
   6. בחר את אפשרות הפילוס כדי לעבד את הנתונים הטופוגרפיים שהתקבלו. שמור את הקבצים מאסטר.
   7. פתח את תוכנת AFM התואמת. טען את הקובץ הראשי AFM. לחץ "פלוס" הפקודה להסיר את ההטיה של משטחים. לחץ "להחליק" פקודה כדי להסיר את הרקע.
   8. לחץ "ניתוח פרמטרים סטטיסטיים" על מנת ליצור את החספוס סטטיסטי ^21.

4. ניתוח סטטיסטי

1. בטא את התוצאות במונחים של ערך ממוצע וסטיית התקן שלה. לבצע עיבוד נתונים סטטיסטי באמצעות סטודנטים לזווג זנב שתי בדיקות ה- טי להעריך את העקביות של התוצאות. P גדר -Value ב <0.05 רמת מציין של מובהקות סטטיסטיות.

תוצאות

דגימות הפלדה צופה כי היה נתון חשיפה לאור השמש במשך שנים אחד או חמש נאספו, ומדידות זווית מגע מים בוצעו על מנת לקבוע אם החשיפה ביאה לשינוי הידרופוביות השטח של המשטח (איור 2 ).

Discussion

ציפוי פוליאסטר היה בשימוש נרחב כדי להגן לקרקע פלדה מן קורוזיה זה יתרחש על פני השטח ללא ציפוי בשל הצטברות של לחות ומזהמים. היישום של ציפוי פוליאסטר יכול להגן על הפלדה מפני קורוזיה; אולם היעילות לטווח ארוך של ציפויים אלו נפגעת אם הם נחשפים לרמות גבוהות של אור אולטרה סגו...

Materials

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