A evolução de sílica Coatings nanopartículas-poliéster em superfícies expostas à luz solar

Resumo

Dois tipos de superfícies, de aço e poliéster revestidos por poliéster revestido com uma camada de nanopartículas de sílica, foram estudados. Ambas as superfícies foram expostas à luz solar, o que se verificou causar alterações substanciais na química e nanoescala topografia da superfície.

Resumo

Corrosão de superfícies metálicas é prevalente no ambiente e é de grande preocupação em muitas áreas, incluindo as indústrias militares, transporte, aviação, construção e alimentos, entre outros. Poliéster e revestimentos que contêm poliéster e nanopartículas de sílica (SiO ₂ NPS) têm sido amplamente utilizados para proteger substratos de aço contra a corrosão. Neste estudo, utilizou raios-X espectroscopia de fotoelétrons, reflexão total atenuada infravermelho micro-espectroscopia, medidas de ângulo de contato com água, profiling óptica e microscopia de força atômica para fornecer uma visão sobre como a exposição ao sol pode causar alterações na micro e nanoescala integridade dos revestimentos. Nenhuma mudança significativa na superfície micro-topografia foi detectada utilizando perfilometria óptica, no entanto, alterações estatisticamente significativas em nanoescala à superfície foi detectado usando microscopia de força atómica. Análise da espectroscopia de fotoelétrons de raios-X e infravermelho micro reflexão total atenuadaespectroscopia de dados revelou que a degradação dos grupos éster tinha ocorrido através da exposição à luz ultravioleta para formar COO ·, -H _2, -O C · · ·, -CO radicais. Durante o processo de degradação, CO e _CO2 foram também produzidos.

Introdução

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.

Protocolo

1. As amostras de aço

1. Obtenção de amostras de aço de 1 mm de espessura a partir de um fornecedor comercial.
   NOTA: As amostras foram revestidas com qualquer poliéster ou de poliéster revestido com nanopartículas de sílica.
2. Expor amostras à luz solar em Rockhampton, Queensland, Austrália: recolher amostras após intervalos de um ano e cinco anos ao longo de um período total de 5 anos. Cortar painéis de exemplo para discos redondos de diâmetro de 1 cm, utilizando furador.
3. Antes de superfície caracterização, lavar as amostras com água bidestilada, em seguida, seque com gás nitrogênio (99,99%). Mantenha todas as amostras em recipientes estanques ao ar para impedir quaisquer contaminantes do ar adsorção à superfície (Figura 1).

Figura 1. Preparação de discos de metal com revestimento à base de poliéster. As amostras foram armazenadas em recipientes, até ser necessário.om / files / ftp_upload / 54309 / 54309fig1large.jpg "target =" _ blank "> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. Chemical e Caracterização físico-química de superfícies

1. Analisar a química de superfície usando espectroscopia de fotoelétrons de raios-X.
   1. Realizar espectrometria de fotoelectrão de raios-X (XPS) utilizando uma fonte de raios-X monocromáticos (Al Ka, hv = 1486,6 eV) operando a 150 W.
      NOTA: Tamanho de ponto de feixe de raios X utilizado é de 400 m de diâmetro.
   2. amostras de carga na placa de amostras. Colocar a placa da amostra para dentro da câmara de vácuo de XPS, em seguida, a bomba de câmara. Espere até que o vácuo na câmara até atingir ~ 1 x 10 ^-9 mbar.
   3. No software de espectroscopia de fotoelétrons, pressione a opção de "Flood Gun" para inundar as amostras com elétrons de baixa energia para neutralizar carregamento superfície.
   4. Pressione o botão "Insert"> "Point"> "Point" para inserir um poin análiset.
      NOTA: Este será um local no qual a análise é efectuada. Ative a função de altura automática para obter a melhor altura para a aquisição.
   5. Pressione o botão "Insert"> "Spectrum"> "Multi Spectrum" para adicionar verificações a este ponto.
      NOTA: Isto irá abrir uma janela com uma tabela periódica; selecionar um elemento, clicando sobre ela para destacá-lo.
   6. Depois de configurar os experimentos, pressionar o comando "Play" para prosseguir os exames.
   7. Pressione Command "Peak Fit" e pressione "Adicionar Peak" e "serve para todos Nível" comandos para resolver as espécies quimicamente distintas no espectro de alta resolução.
      NOTA: Esta etapa irá adquirir o algoritmo de Shirley para remover o fundo e Gaussian-Lorentzian apropriado para deconvolute o espectro ^19.
   8. Selecionar tudo alta resolução e examinar espectros. Imprensa opção "Shift Charge" para corrigir espectros usando o hydrocarbon componente da (energia de ligação 285,0 eV) 1s C pico como referência.
   9. Após a correção da carga, pressione a opção "Exportar" para gerar a tabela de dados da concentração atômica relativa de elementos na base da área de pico.
2. química de superfície
   NOTA: Analise química de superfície utilizando infravermelho de reflexão total atenuada micro-espectroscopia (ATR-IR) no infravermelho (IR), espectroscopia de linha de luz no Synchrotron australiano como se segue:
   1. amostras de carga no palco do microscópio. Abra um "Start Video Medição Assistida" ou a opção "Start Medição sem 3D". Ative o modo "VIS" na. Use o objetivo de se concentrar na superfície da amostra. Pressione o botão "Snapshot / Overview" para tomar imagens desejadas.
      NOTA: 0,5 mm de espessura da placa CaF ₂ pode ser usado como o fundo.
   2. Alterar o objetivo ATR para a amostra. Cuidadosamente mover a fase de colocar um ger 45 ° multi-reflexãomanium cristal (índice de refracção de 4) 1-2 mm acima superfícies. Clique com o botão direito do mouse sobre a janela de vídeo ao vivo. Pressione o botão "Iniciar medição"> "Alterar Parâmetros de Medição". Escolha a opção "Nunca use BG existente para todas as posições".
      NOTA: Isto irá optar por não tomar os espectros de fundo para cada ponto de medição.
   3. Desenhar um mapa na tela de vídeo para escolher a área de interesse. Pressione um quadrado vermelho de abertura e escolha "Aperture"> "Alterar abertura". Alterar as configurações reais "Knife Edge Aperture" para X = 20 mm e Y = 20 mm.
   4. Clique com o botão direito do mouse sobre a praça abertura recém-dimensionado e ir para a "Abertura"> "Definir todas as aberturas para aberturas selecionado". Pressione o ícone "Medição" para iniciar os exames. Guardar os dados.
      NOTA: O índice de refracção de Ge cristal é 4, de modo que uma abertura de 20 um x 20 um vão definir o tamanho do ponto de 5 mm x 5 mm. This etapa, será possível ajustar-se o mapeamento de FTIR com uma abertura de 20 por 20 mm, o que corresponde a um 5 mm por 5 mm através do cristal local através de uma gama de número de onda máximo de 4,000-850 cm ^{- 1.}
   5. Abrir arquivo mestre usando o software de espectroscopia. Escolha o pico de juros sobre o espectro de IR. Clique com o botão direito do mouse sobre o pico de interesse. Escolha "Integração"> "Integração". Ele permitirá a criação de mapas falsa cor 2D
3. medições molhabilidade da superfície
   NOTA: Meça a molhabilidade usando um goniómetro ângulo de contato equipado com um nanodispenser ^19.
   1. Colocar a amostra no palco. Ajustar a posição do conjunto de micro-seringa de modo que a parte inferior da agulha aparece cerca de um quarto de um caminho para baixo na tela de vídeo ao vivo janela.
   2. Levantar a amostra usando o eixo Z até que a distância entre a amostra e a superfície é de cerca de 5 mm. Mova a seringa para baixo até que uma gota de Duple água destilada toca a superfície. Mover a seringa até à sua posição original.
   3. Pressione o comando "Executar" para gravar a gota de água impactar na superfície por um período de 20 segundos usando uma câmera CCD monocromática que é integrado com hardware.
   4. Pressione o comando "Stop" para adquirir a série de imagens.
   5. Pressione "Contact Angle" comando para medir ângulos de contacto a partir de imagens adquiridas. Repita as medições do ângulo de contato em três locais aleatórios para cada amostra.

3. Visualização de a topografia da superfície

1. medição de perfil óptico.
   NOTA: O instrumento é operado no modo de varredura interferometria vertical, luz branca.
   1. Colocar as amostras no palco do microscópio.
      NOTA: Certifique-se de que há uma lacuna suficiente (por exemplo,> 15 mm) entre a lente objectiva e o palco.
   2. Concentre-se sobre a superfície usando o5 × objetivos de controle z-eixo até que as franjas aparecem na tela. Pressione Command "Auto" para otimizar a intensidade. Imprensa comando "Medição" para iniciar a digitalização. Salve os arquivos mestre.
   3. Repita o passo 3.1.2 para 20 × e 50 × objetivos.
   4. Antes de analisar a rugosidade estatística, pressione "Remover Tilt" opção para remover a ondulação da superfície. Imprensa opção "Contour" para analisar os parâmetros de rugosidade. Clique na opção "3Di" para gerar imagens tridimensionais de arquivos de perfis ópticos usando software compatível ^20.
2. Força atômica microscópica
   1. Colocar as amostras em discos de aço. Inserir os discos de aço em suporte magnético.
   2. Realizar exames AFM no modo ²¹ escutas. fósforo carga mecanicamente dopado sondas de silício com uma constante de 0,9 N / m, a curvatura da ponta com um raio de 8 nm e uma frequência de ressonância do ~ 20 kHz para geração de imagens da superfície de primavera.
   3. ajustar manualmente a reflexão do laser sobre o cantilever. Escolha comando "Auto Tune" e pressione comando "Tune" para ajustar o cantilever AFM para alcançar a frequência de ressonância ideal relatado pelo fabricante.
   4. Concentre-se na superfície. Mova as pontas perto de superfície da amostra. Clique em Engage comando para envolver pontas de AFM em superfícies.
   5. Digite "1 Hz" na caixa de velocidade de varredura. Escolha as áreas de digitalização. Pressione o botão "Run" comando para executar a varredura. Repetir a pesquisa, pelo menos, durante dez áreas de cada uma das cinco amostras de cada condição.
   6. Escolha a opção de nivelamento para processar os dados topográficos resultante. Salve os arquivos mestre.
   7. Abra o software AFM compatível. Carregar o arquivo mestre AFM. Pressione "Nivelamento" comando para remover a inclinação das superfícies. Pressione "Smoothen" comando para remover o fundo.
   8. Pressione "Statistical parâmetros de análise" para gerar a rugosidade estatística ^21.

4. Análise estatística

1. Exprimir os resultados em termos de valor médio e seu desvio padrão. Executar o processamento de dados estatísticos utilizando dois testes de cauda t- pareado de Student para avaliar a consistência dos resultados. Definir valor de p a <0,05 indicando o nível de significância estatística.

Resultados

As amostras de aço revestidas que tinham sido sujeitos à exposição à luz solar para qualquer um ou cinco anos foram recolhidos, e de contacto da água medidas do ângulo foram realizados para determinar se a exposição resultou numa mudança na hidrofobicidade de superfície da superfície (Figura 2 ).

Figura 2. variação molhabilidade das superfície...

Discussão

Os revestimentos de poliéster têm sido amplamente utilizados para proteger substratos de aço a partir da corrosão que ocorreria numa superfície não revestidas devido à acumulação de poluentes e de humidade. A aplicação de revestimentos de poliéster pode proteger o aço contra a corrosão; No entanto, a eficácia a longo prazo destes revestimentos é comprometida se eles estão expostos a altos níveis de luz ultravioleta sob condições húmidas, como ocorre em climas tropicais. nanopartículas de sílica po...

Materiais

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