L'evoluzione di silice Coatings nanoparticelle-poliestere su superfici esposte al sole

Riepilogo

Due tipi di superfici, acciaio rivestito di poliestere e poliestere rivestito con uno strato di nanoparticelle di silice, sono stati studiati. Entrambe le superfici sono state esposte alla luce solare, che è stato trovato per causare cambiamenti sostanziali nella chimica e nanoscala topografia della superficie.

Abstract

La corrosione delle superfici metalliche è prevalente nell'ambiente ed è di grande preoccupazione in molte aree, tra cui le industrie militari, trasporti, aviazione, costruzione e cibo, tra gli altri. Poliestere e rivestimenti contenenti sia poliestere che nanoparticelle di silice (SiO ₂ NP) sono stati ampiamente utilizzati per proteggere substrati acciaio dalla corrosione. In questo studio, abbiamo utilizzato raggi X spettroscopia fotoelettronica, riflessione totale attenuata infrarossi micro-spettroscopia, misure di angolo di contatto dell'acqua, profilatura ottica e la microscopia a forza atomica per fornire una panoramica su come l'esposizione alla luce solare può causare cambiamenti nella micro e nanoscala integrità dei rivestimenti. Nessun cambiamento significativo nella superficie micro-topografia è stato rilevato usando profilometria ottica, tuttavia, sono stati rilevati statisticamente significativi cambiamenti su scala nanometrica sulla superficie usando la microscopia a forza atomica. Analisi della spettroscopia fotoelettronica a raggi X e micro- infrarossi attenuato riflessione totaledati spettroscopici hanno rivelato che la degradazione dei gruppi esterei era verificato attraverso l'esposizione a luce ultravioletta per formare COO ·, -H ₂ C °, -O ·, -CO · radicali. Durante il processo di degradazione, CO e CO ₂ sono state anche prodotte.

Introduzione

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.

Protocollo

1. I campioni di acciaio

1. Ottenere campioni di acciaio di spessore di 1 mm da un fornitore commerciale.
   NOTA: I campioni sono stati rivestiti con poliestere o poliestere rivestito con nanoparticelle di silice.
2. Esporre i campioni alla luce del sole a Rockhampton, Queensland, Australia: raccogliere campioni dopo intervalli di un anno e cinque anni per un periodo totale di 5 anni. Tagliare i pannelli campione in dischi rotondi di 1 cm di diametro con perforatrice.
3. Prima di superficie caratterizzazione, sciacquare i campioni con acqua bidistillata, e poi asciugare con azoto (99,99%). Conservare tutti i campioni in contenitori ermetici per evitare eventuali contaminanti dell'aria adsorbenti alla superficie (Figura 1).

Figura 1. Preparazione dei dischi di metallo con rivestimento a base di poliestere. I campioni sono stati conservati in contenitori fino al momento.om / files / ftp_upload / 54309 / 54309fig1large.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

2. Chimica e fisico-Caratterizzazione di superfici

1. Analizzare chimica di superficie mediante spettroscopia fotoelettronica a raggi X.
   1. Eseguire raggi X fotoelettroni spettrometria (XPS) utilizzando una sorgente monocromatica a raggi X (Al Kα, hn = 1486,6 eV) operando a 150 W.
      NOTA: Formato di punto di fascio di raggi X utilizzati è di 400 micron di diametro.
   2. Caricare i campioni sul piatto del campione. Mettere il piatto del campione nella camera a vuoto di XPS poi pompare la camera. Attendere la depressione nella camera di raggiungere ~ 1 × 10 ^-9 mbar.
   3. Nel software spettroscopia fotoelettronica, premere l'opzione di "Flood Gun" per inondare i campioni con elettroni a bassa energia per contrastare la carica di superficie.
   4. Premere il tasto "Inserisci"> "Punto"> "Point" per inserire un poin analisit.
      NOTA: Questo sarà un percorso in cui viene effettuata l'analisi. Attivare la funzione di altezza auto per ottenere la migliore altezza per l'acquisizione.
   5. Premere il tasto "Inserisci"> "Spectrum"> "Multi Spectrum" per aggiungere scansioni fino a questo punto.
      NOTA: Si aprirà una finestra con una tavola periodica; selezionare un elemento facendo clic su di esso per evidenziarlo.
   6. Dopo aver impostato gli esperimenti, premere il comando "Play" per proseguire le scansioni.
   7. Premere il comando "Peak Fit", quindi premere "Aggiungi Peak" e "Fit tutti i livelli" Comandi per risolvere le specie chimicamente distinte nello spettro ad alta risoluzione.
      NOTA: Questo passaggio acquisirà l'algoritmo di Shirley per rimuovere lo sfondo e gaussiana-Lorentzian raccordo per deconvolute gli spettri ^19.
   8. Seleziona tutti ad alta risoluzione e di indagine spettri. Premete l'opzione "Shift Charge" per correggere gli spettri utilizzando il hydrocacomponente rbon del (energia di legame 285.0 eV) 1s C picco come riferimento.
   9. Dopo la correzione di carica, tenere opzione "Esporta" per generare la tabella di dati della concentrazione atomica relativa di elementi sulla base dell'area del picco.
2. chimica di superficie
   NOTA: Analizzare chimica di superficie utilizzando attenuato riflessione totale infrarossi micro-spettroscopia (ATR-IR) sul infrarossi (IR) spettroscopia linea di luce presso l'Australian Synchrotron come segue:
   1. Caricare i campioni sul palco del microscopio. Aprire un "Start video di misura assistita" o l'opzione "Start Misura senza 3D". Attivare la modalità "VIS" su. Utilizzare l'obiettivo di concentrarsi sulla superficie del campione. Premere il tasto "Snapshot / Panoramica" di prendere immagini desiderate.
      NOTA: 0.5 mm piastra CaF ₂ può essere utilizzato come sfondo.
   2. Modificare l'obiettivo ATR al campione. Spostare con attenzione la fase di inserire un ger 45 ° multi-riflessocristallo manium (indice di rifrazione di 4) 1-2 mm sopra superfici. Fai clic destro sulla finestra video live. Premere "Start Measurement"> "Modifica parametri di misura". Scegliere l'opzione "Non utilizzare mai BG esistente per tutte le posizioni".
      NOTA: Questo sceglierà di non prendere sfondo spettri per ogni punto di misura.
   3. Tracciare una mappa su schermo video per scegliere l'area di interesse. Premere un quadrato di apertura rosso e scegliere "Aperture"> "Modifica Aperture". Modificare le impostazioni attuali "Knife Edge Aperture" a X = 20 micron e Y = 20 micron.
   4. Fai clic destro sul quadrato di apertura recente di dimensioni e andare a "Aperture"> "Imposta tutte le aperture a selezionato aperture". Premere l'icona "di misura" per avviare le scansioni. Salvare i dati.
      NOTA: L'indice di rifrazione del cristallo Ge è 4, così un'apertura di 20 micron × 20 micron definirà la dimensione del punto di 5 micron × 5 micron. This passo permetterà impostando la mappatura FTIR con un'apertura di 20 da 20 micron, che corrisponde a 5 micron da 5 micron posto attraverso il cristallo attraverso una portata massima di wavenumber 4,000-850 cm ^{- 1.}
   5. master file aperto utilizzando il software di spettroscopia. Scegliere il picco di interesse su spettri IR. Fai clic destro sul picco di interesse. Scegliere "Integrazione"> "Integrazione". Essa consentirà la creazione di mappe a colori 2D falso
3. misure di superficie bagnabilità
   NOTA: Eseguire la misurazione bagnabilità utilizzando un goniometro angolo di contatto dotata di un nanodispenser ^19.
   1. Posizionare il campione sul palco. Regolare la posizione del gruppo microsiringa modo che il fondo dell'ago appare circa un quarto di discesa nella schermata Live finestra video.
   2. Sollevare il campione utilizzando asse z fino distanza tra il campione e la superficie è di 5 mm. Spostare la siringa verso il basso fino a quando una goccia di dopLe acqua distillata tocca la superficie. Spostare la siringa fino alla sua posizione originale.
   3. Premere il comando "Esegui" per registrare la goccia d'acqua che incidono sulla superficie per un periodo di 20 secondi utilizzando una telecamera CCD in bianco e nero che è integrato con l'hardware.
   4. Premere il comando "Stop" per acquisire la serie di immagini.
   5. Premere il tasto "Angolo di contatto" comando per misurare gli angoli di contatto da immagini acquisite. Ripetere le misure di angolo di contatto a tre posizioni casuali per ogni campione.

3. Visualizzazione della topografia della superficie

1. misurazione profiling ottico.
   NOTA: Lo strumento è in funzione in bianco modalità di scansione verticale interferometria luce.
   1. I campioni sul palco del microscopio.
      NOTA: Assicurarsi che ci sia una distanza sufficiente (per esempio,> 15 mm) tra le lenti dell'obiettivo e il palco.
   2. Concentrarsi sulla superficie utilizzando il5 × obiettivi di controllo asse z fino ai margini appaiono sullo schermo. Premere il comando "Auto" per ottimizzare l'intensità. Premere il comando "misura" per avviare la scansione. Salvare i file master.
   3. Ripetere il passo 3.1.2 per 20 × 50 × e obiettivi.
   4. Prima di rugosità statistico analisi, premere "Rimuovi Tilt" opzione per rimuovere l'ondulazione superficie. Press opzione "Contour" per analizzare i parametri di rugosità. Clicca su opzione "3Di" per generare immagini tridimensionali dei file di profiling ottici che utilizza software compatibile ^20.
2. Microscopia a forza atomica
   1. I campioni su dischi in acciaio. Inserire i dischi d'acciaio in supporto magnetico.
   2. Eseguire scansioni in modalità AFM ²¹ intercettazioni. fosforo carico meccanicamente drogati sonde al silicio con costante elastica di 0,9 N / m, curvatura punta con raggio di 8 nm e una frequenza di risonanza di ~ 20 kHz per l'imaging di superficie.
   3. regolare manualmente la riflessione laser sul sbalzo. comando Scegliere "Auto Tune", quindi premere il comando "Tune" per sintonizzare il cantilever AFM per raggiungere la frequenza di risonanza ottimale riportato dal produttore.
   4. Focus sulla superficie. Spostare le punte vicino alla superficie del campione. Clicca su comando Engage di impegnarsi punte AFM sulle superfici.
   5. Tipo "1 Hz" in scatola velocità di scansione. Scegliere le aree di scansione. Premere il tasto "Esegui" il comando per eseguire la scansione. Ripetere la scansione almeno per dieci aree di ciascuno dei cinque campioni di ciascuna condizione.
   6. Scegliere l'opzione di livellamento per elaborare i dati topografica risultante. Salvare i file master.
   7. Aprire il software AFM compatibili. Caricare il file master AFM. Premere il tasto "livellamento" comando per rimuovere l'inclinazione delle superfici. Premere il tasto "Uniforma" il comando per rimuovere lo sfondo.
   8. Premere il tasto "statistica parametri di analisi" per generare la rugosità statistico ^21.

4. Analisi statistica

1. Esprimere i risultati in termini di valore medio e la sua deviazione standard. Eseguire l'elaborazione dei dati statistici utilizzando due code test T- abbinato di Student per valutare la coerenza dei risultati. Impostare p -value a <0,05 che indica il livello di significatività statistica.

Risultati

I campioni di acciaio rivestito che erano stati sottoposti ad esposizione alla luce per una o cinque anni sono stati raccolti, e misure di angolo di contatto di acqua sono stati eseguiti per determinare se l'esposizione ha comportato una variazione della idrofobicità superficiale della superficie (Figura 2 ).

Figura 2. Variazione bagnabilità delle supe...

Discussione

poliesteri sono stati ampiamente utilizzati per proteggere substrati di acciaio dalla corrosione che si verificherebbe su una superficie non rivestita dovuta all'accumulo di umidità e inquinanti. L'applicazione di rivestimenti poliestere può proteggere l'acciaio dalla corrosione; tuttavia l'efficacia a lungo termine di questi rivestimenti è compromessa se sono esposti ad elevati livelli di luce ultravioletta in condizioni di umidità, come avviene nei climi tropicali. nanoparticelle di silice possono ...

Materiali

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