Potentiodynamic בדיקת קורוזיה

Summary

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.

Abstract

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

טכניקות אלקטרוכימי לספק שיטה מהירה וזולה יחסית להשיג את מאפייני אלקטרוכימי של חומר. טכניקות אלו מבוססות ברובה על היכולת לזהות קורוזיה של מתכת על ידי התבוננות בתגובה של התהליך-העברת מטען להפרעת אלקטרוכימיים מבוקרת ^1-5. קורוזיה של שתלי מתכת בסביבת גוף היא קריטית בשל ההשלכות השליליות על שלמות biocompatibility וחומר ^6. הגורם העיקרי שתרם קורוזיה של שתלים בגוף הוא פירוקה של משטח תחמוצת שמוביל לשחרור מוגבר של יונים מתכתיים ^7-11. התוצאה היא תגובות ביולוגיות שליליות, אשר ניתן למצוא מקומי, אך עם תופעות מערכתיות פוטנציאלי מובילות לכשל מוקדם של השתל ^10,12-28.

מאפייני הקורוזיה של בדיקת דגימה הם חזו מן סריקת הקיטוב מיוצרתעל ידי potentiostat. סריקת קיטוב מאפשרת אקסטרפולציה של הפרמטרים קינטיים וקורוזיה של מצע מתכת. במהלך סריקה, החמצון או ההפחתה של זן אלקטרו הפעיל יכול להיות מוגבל על ידי העברת מטען והתנועה של מגיבים או מוצרים. גורמים אלה כל כמוס על ידי סריקת הקיטוב; ולכן החשיבות בהקניית מערכה מייצרת סריקת קיטוב אמינה דיר פני מחזורים רבים היא בעלת חשיבות רבה. המוקד העיקרי של כתב היד הזה הוא לספק פרוטוקול זיהוי לרציונל הצעדים שננקט כדי לקבל מערכת קורוזיה potentiodynamic מתפקד היטב.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

1. בנייה של בעל המדגם

1. Construct בעל מדגם מ מפרידי נירוסטה בורג הליכי נירוסטה M3, שנערך במקום עם אגוז משושה M3.
2. הסר את ראש הבורג מושחל באמצעות צבת וללטש במגזר לחתוך לשמור על דפוס חוט.
3. כשכל הרכיבים הבודדים מוכנים, להרכיב את מחזיקי אלקטרודה. כל בעל אלקטרודה מכיל שלושה מפרידי חברו יחדיו על ידי ברגים M3 וכתוצאה מכך ידית 11.5 ס"מ. מניח את אגוזי המשושה בצומת של בורג מפרידים לנעול את החיבור.
4. הלחמה (60/40% Sn / Pb) קליפ תנין חסר שיניים על הבורג בסוף המוט. פעולה זו תבטיח אחיזה איתנה מאוחר יותר כדי לצרף את האלקטרודה במהלך ניתוח.
5. לאחר מחזיקי אלקטרודה הם התאספו, להחיל מעילים מרובות של לכה עצרנו (איטום חשמל) כדי למנוע את מוטות נירוסטה נירוסטה בעודי שקועה תא קורוזיה.
   1. מניחים את כל מחזיקי אלקטרודה עם דגימות מצורף קליפ תנין לתוך במנדף לפני הציפוי. מניחים מזרק 20 מ"ל לתוך במנדף. השתמש המזרק כדי לאסוף את לכה עצר.
   2. הפעל את במנדף ויוצק את לכה עצר לתוך צנצנת זכוכית קטנה. משוך 10 מ"ל של לכה עצרנו לתוך מזרק המעיל את פני השטח של מחזיקי אלקטרודה. ודא שלא לכסות את מדגם הבדיקה, אשר עומד להיות מנותח עבור קורוזיה.
   3. חצי מעיל של כל בעל אלקטרודה ומניחים במנדף להתייבש לפני ציפוי החצי השני. זה יעזור להשיג מעיל היטב אטום שלם בלי לפגוע באזורים להיות מצופה. ודא כי בשלב הייבוש, אזורים מצופה טרי לא לגעת משטחים אחרים, כמו זה יהרוס את המעיל מיושם.
   4. מניח את מחזיקי אלקטרודה בעמדה מוגבהת במהלך ייבוש ללא קשר לכל משטחים. מעיל האלקטרודות במהירות בשל התמצקות מהירה של לכה עצרנו.זה משלים את השכבה הראשונה.
   5. לאחר יבש, לחזור על התהליך כדי להשיג 3 שכבות לאורך האזור כולו.
6. לפני תחילת הריצה קורוזיה, לעזוב את בעלי להתייבש במשך 24 שעות לאחר השלמת המעיל הסופי. כל תהליכי הציפוי להתרחש ב RT, ללא מדרגות חימום או קירור נדרשות למרות שהם עשויים להאיץ / להאט את תהליך הריפוי.
7. ביצוע כלוב פאראדיי
   1. לבנות כלוב פאראדיי על ידי ציפוי שני מיכלי פלסטיק באותו גודל עם 4 שכבות של נייר אלומיניום כדי לכסות את כל הצדדים.
   2. חותכים שני חורים קטנים מתוך בשולי מיכל פלסטיק העליון כדי לאפשר חיבור האלקטרודה אל potentiostat וקו חנקן למיכל חנקן לעבור. עיצוב פיצול של כלוב פאראדיי מאפשר הרכיב העליון להסירו בסוף הריצה ללא צורך להחליף את החלק התחתון דיור הטנק.
   3. התאם את התא החיצוני (תא מים) לתוך כלוב פאראדיי. Leavדואר במחצית השנייה לצד ומניחים על גבי המגירה התחתונה רק כאשר כלי קורוזיה כבר חתום (בהמשך ההליך).

2. ניקוי של כלי זכוכית

1. נקו את כלי קורוזיה (בקבוק גלילי 700 מ"ל) לפני כל ריצה קורוזיה. שפשף את הכלי עם חומר ניקוי ביתי ולשטוף היטב במים מברז. חזור על פעולה זו 3 פעמים.
2. יש לשטוף את כלי קורוזיה 3 פעמים עם מים מיוננים דה מים (DI) כדי להסיר מזהמים פוטנציאליים הנמצאים במי ברז.
3. לאחר שטיפה עם מים די הושלמה לשפוך 300 מ"ל של אתנול 95% לתוך כלי קורוזיה מערבולת סביב לפנות את כל המשטחים הפנימיים. יוצקים את אתנול וחזור על שלב זה 3 פעמים.
4. השאירו את כלי קורוזיה תחת-במנדף למשך 30 דקות כדי לאפשר את כל אתנול להתאדות לגמרי.
5. קח את כלי קורוזיה הנקיים ויבשים ולשטוף אותו עם אלקטרוליט אשר ישמש עבור בטווח הקורוזיה. לקבלת דוארACH לשטוף למלא את כלי קורוזיה עם 200 מ"ל של אלקטרוליט לחזור על הליך זה 3 פעמים. במחקר זה, יש לשטוף את כלי קורוזיה עם בופר פוספט (PBS). החומר הכימי איפור של PBS (10 L) אלקטרוליט בשימוש ברחבי הוא 80 גרם NaCl, 11.5 גרם Na _{2 4} HPO, 2 KCl ז ו -2 גרם KHPO _4.
6. בעקבות לשטוף, למלא את כלי קורוזיה עם הנפח הנדרש PBS מוכן התגובה.

Setup 3. Apparatus

1. קלאמפ תנור עם מערכת זרימת מובנה אל הצד של התא החיצוני באמצעות מהדק. גודלו של תא החיצוני צריך להיות כ 30 ס"מ x 20 ס"מ x 20 ס"מ, עשוי גם זכוכית או פולימר להיות מסוגל דיור הספינה קורוזיה קטן ומערכת החימום.
2. מלא את התא החיצוני במים ברז עד לרמת המים היא גבוהה יותר מאשר בגובה של אלקטרודות מושעה בתוך כלי הקורוזיה. התא הקטןספינת הקורוזיה (שתוארה לעיל בסעיף 2) היא.
3. חותם את כלי קורוזיה עם מכסה תגובת זכוכית לצבוט כדי להבטיח חותם אטום. המכסה של התא מספקת שש נקודות כניסת איברי ניסיוני ומדידה.
4. להשעות מדחום מאחד נקודות הכניסה של מכסת התגובה לספק קריאת הטמפרטורה בתוך תא הקורוזיה. להשעות את כל שלוש אלקטרודות ממכסה באמצעות נקודות כניסה 3 אחרים. השתמש polytetrafluoroethylene (PTFE) קלטת כדי לאבטח את החותם של כל חיבור.
5. להשתמש בתצורה תלת אלקטרודה מורכבת הפניה, מטר, ועבודת האלקטרודה. האלקטרודה עובד הוא בורג הנירוסטה (דגימה תחת ניתוח). לפני החדרת אלקטרודה לתוך כלי קורוזיה, לנגב עם אתנול 80% ספוג לנגב ומכניסים כוס זכוכית מלא 100 מ"ל של PBS.
6. בעזרת מערוך חיבור לצרף מחזיקי אלקטרודה על כתפיות האלקטרודה. התאימו את electrodכתפיות דואר אל נקודות הכניסה של המכסה של כלי קורוזיה.
7. מניחים את האלקטרודה עבודה מרכזי עם אלקטרודה נגדית ועיון להשעייה משני הצדדים. חותם את נקודת כניסה זכוכית ואת כתפיות קורוזיה באמצעות קלטת PTFE.
8. עבור אלקטרודה ההשוואתית, להשתמש Ag / AgCl סטנדרטי. עבור האלקטרודה הדלפק, להשתמש רשת פלטינה כי היה כפוף באופן רופף כדי לעטוף את הדגימה הנבדקת (עבודה אלקטרודה).
9. מלאו את האלקטרודה Ag / AgCl עם 3 KCl M בעזרת פיפטה. בעקבות שימוש נרחב, שינוי ולמלא את Ag Ag / Cl. לשם שחרור זה קצה האלקטרודה לרוקן את הנוזל לתוך כלי איסוף זכוכית קטנה (כוס). לאחר כל הפתרון אשר יוסר להכניס את הקצה ולמלא עם 3 מ KCl.
10. השתמש קלטת על כל הצמתים כדי להבטיח החדר כולו אטום.
11. לאחר הקאמרי הוא חתום עם כל אלקטרודות המונחות בתוך כלי הקורוזיה, להגדיר את הטמפרטורה ל 37 מעלות צלזיוס, לפתוח את שנינות שסתום החנקןחה קצב הזרימה של 150 ס"מ ³ / min. השאר את ריצת טמפרטורת חנקן במשך 60 דקות לפני המנהלת לרוץ. להמשיך לרוץ חנקן עבור תקופת הניסוי.

4. ריצה קורוזיה מבחן

1. פתח את חבילת התוכנה אלקטרוכימי, אשר ממשקים עם potentiostat USB נשלט.
2. הפוך חיבורים חשמליים בין potentiostat ואת 3 אלקטרודות ולאחר מכן הפעל את potentiostat על.
3. להרחיב ולהשתמש "נוף המדידה" כדי להציג את הקריאות הפוטנציאליות הנוכחיות של סביבת קורוזיה. במהלך פוטנציאל המעגל הפתוח (OCP) השלב שבו אין פוטנציאל הרמפה עדיין מוחל הקריאה הנוכחית בין העבודה (פוטנציאל חיובי) שכנגד (שלילי) אלקטרודה הוא סביב (0 ± 0.01) מיקרו-אמפר. המעבה הפסול של החדר עם קלטת PTFE יכול להשפיע על תנודות כלל הקריאה הנוכחית בשל הקאמרי להיות מוגזים באמצעות גז חנקן כדי להסיר מולקולות חמצן.
4. עזוב את הלטעום כדי לאזן ולייצב בסביבת כלי קורוזיה. משך זמן זה משתנה (1 עד 6 שעות) והוא תלוי בחומר. צג את הפוטנציאל באמצעות תצוגה מדידה כדי לקבוע אם תנאים התייצבו הם הגיעו. הפוטנציאל יתקבע ללא תנודות כשהתנאים יציבים הם הגיעו.
5. אחרי הם הגיעו תנאים יציבים, להתחיל בטווח הקורוזיה. עם זאת, לפני זה יכול להיעשות, למלא את "תוכנית קורוזיה" ו "voltammetry מחזורית (CV)" תנאי שימוש בתבנית שלד הניתנים על ידי תוכנת ניתוח.
6. בחר את הליך potentiostat voltammetry המחזורי בתוך תצוגת ההתקנה מתוך כרטיסיית ההליך.
7. הפעל את הפרמטרים הבאים כדי להיות שנדגמו עבור בטווח הקורוזיה: הזמן, עבד אלקטרודה (WE) פוטנציאל, ואת נוכחי עבור בטווח הקורוזיה.
8. בחר את האפשרות להפוך את הטווח הנוכחי. הגדר את הזרם הגבוה ביותר בטווח להיות 10 מילי-אמפר, ואת הנוכחי הנמוך ביותר range להיות 10 Na עבור WE.
9. ודא את הבחירה החתוכה הסופית נשלטת באמצעות הפוטנציאלי על ידי קביעת הפרמטר 'בחזרה מחזור' ל -0.8 mV לאפשר את לולאת hysteresis להשלים.
10. רשום את OCP מתצוגת המדידה בתיבת טקסט פרמטר OCP. הגדר את תחילת פוטנציאל 100 mV מתחת לערך OCP המוקלט. הגדר את פוטנציאל הקודקוד העליון 800 mV, הקודקוד התחתון ל -100 mV מתחת פוטנציאל התחלת פוטנציאל התחנה ל -100 mV מתחת פוטנציאל הקודקוד הנמוך. הגדר את קצב הסריקה 0.001 V / sec ואת הפוטנציאל צעד 0.0024 V / sec. עכשיו לחץ להתחיל.

5. לאחר השלמת הפעלת הקורוזיה

הערה: לאחר השלים הקורוזיה להפעיל את סריקת הקיטוב מוצגת בתוך נוף הניתוח של התוכנה. לכל קיטוב להפעיל את תצוגת המגיש מפרטת את OCP, עלילה עבור E לעומת t וגרם מדרגות CV שהוא חלק E לעומת היומן (i).

1. בתוך כל העלילה lדיו, לקבוע סינון פנימי של נקודות נתונים, אקסטרפולציה Tafel, ואפשרויות העלילה. להרחיב כל קישור הציג להראות פרמטרים שונים של עניין, אשר מהווים את הפרמטרים אלקטרוכימיים קולקטיבי. הסריקה הקיטוב (צפיפות זרם לעומת הפוטנציאל), קובע את פוטנציאל המעגל הפתוח, הצבת פוטנציאל _(בור E) ופוטנציאל הגנה (E _פרו).
2. לסדר בטבלה את anodic וקבוע Tafel קתודית, שיעור הקורוזיה, זרם הקורוזיה, צפיפות זרם קורוזיה, פוטנציאל ההתחלה, ופוטנציאל סוף תחת קצב הקורוזיה באמצעות קישור מדרון Tafel.

6. הסרת לדוגמא מבעל אלקטרודה

1. הכן 3 צנצנות קטנות של 50 מ"ל עם dichloromethane מתחת למכסה המנוע קטר.
2. הסר בדגימות שנבדקו ממחזיקי אלקטרודה ידי טבילה בקצה התחתון של המחזיק dichloromethane למשך 30 דקות בתוך-במנדף.
3. לאחר מנותק, למקם את הדגימה לתוך הצנצנת הבאה שלdichloromethane ולהשאיר למשך 15 דקות. חזור על תהליך זה עם השטיפה השלישית ואחרונה כדי להיפטר מכל ציפוי עודף על הסעיפים המצורפים של המדגם.
4. נגב את האיטום שנותר מן קליפ המדגם ולבסוף לשטוף עם מים די.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

תוצאות

בסיומו של הליך מערכת קורוזיה חוץ הגופייה היא התקנה לערוך מחקרי קורוזיה. נהלים ספציפיים כגון ניקוי של כלי קורוזיה כלוב פאראדיי הוכנסו לתוך פרוטוקול כדי לשפר את ביצועי הרעש. תפיסת היסוד של סריקת קיטוב טובה היא לזהות את התנאים-פיזי אלקטרו של החומ?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

סריקות קיטוב המופקות דגימות הנירוסטה הראו מגרשים רציפים נקיים correlating עם סריקות לראות בספרות מעידה על מערכת קורוזיה מתפקדת היטב שהוא גם אמין ו ^-29 לשחזור. שחזור גרוע של פוטנציאלים חורים potentiodynamic מזוהה עם התפשטות כמה מאה מילים-וולטים, עם צבת ההוויה גלומה המאופיין ?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

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