Эволюция кремнезема Nanoparticle-полиэфирных покрытий на поверхностях, подверженных солнечному свету

Резюме

Два типа поверхностей, полиэстер с покрытием из стали и полиэстера покрыт слоем наночастиц из диоксида кремния, были изучены. Обе поверхности подвергались воздействию солнечного света, который был найден, чтобы вызвать существенные изменения в химии и наноразмерных топографии поверхности.

Аннотация

Коррозия металлических поверхностей преобладает в окружающей среде и вызывает серьезную озабоченность во многих областях, в том числе военных, транспортных, авиационных, строительных и пищевой промышленности, среди других. Полиэстер и покрытия , содержащие как полиэфир и наночастицы диоксида кремния (SiO ₂ NPS) широко используется для защиты стали от коррозии субстраты. В данном исследовании мы использовали рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, нарушенного полного отражения инфракрасного микро-спектроскопии, измерения контактного угла воды, оптические профилирование и атомно-силовой микроскопии, чтобы дать представление о том, как воздействие солнечного света может вызвать изменения в микро- и наноразмерных целостности покрытий. Никаких существенных изменений в поверхностном микротопографии не было обнаружено с помощью оптической профилометрии, однако, статистически значимых изменений наноразмерные на поверхности, были обнаружены с помощью атомно-силовой микроскопии. Анализ рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и нарушенного полного отражения инфракрасного микро-Данные спектроскопии показали , что деградация эфирных групп имели место вследствие воздействия ультрафиолетового света , чтобы сформировать COO ·, -H ₂ C ·, -O ·, -CO · радикалы. Во время процесса деградации, СО и СО ₂ были также произведены.

Введение

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.

протокол

1. Стальные образцы

1. Получают стальных образцах толщиной 1 мм от коммерческого поставщика.
   Примечание: Образцы покрывали либо сложного полиэфира или полиэстера , покрытого наночастицами из кремнезема.
2. Expose образцы солнечного света в Рокхэмптон, Квинсленд, Австралия: собрать образцы после годичного и каждые пять лет в течение полного 5-летний период. Вырезать образцы панели в круглые диски диаметром 1 см с помощью перфоратора.
3. Перед характеристику поверхности, промойте образцы с дважды дистиллированной водой, а затем высушить с помощью газообразного азота (99,99%). Храните все образцы в герметичных контейнерах для предотвращения любых загрязнений воздуха , адсорбирующей поверхности (рисунок 1).

Рисунок 1. Подготовка металлических дисков с покрытием на основе полиэстера. Образцы хранились в контейнерах , пока они не потребуются.ом / файлов / ftp_upload / 54309 / 54309fig1large.jpg "целевых =" _blank "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

2. Химические и физико-химических характеристик поверхностей

1. Анализировать химию поверхности с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.
   1. Выполните рентгеновской фотоэлектронной спектрометрии (XPS), используя источник монохроматического рентгеновского излучения (Al Ка, hν = 1486.6 эВ), работающий при 150 Вт
      Примечание: Размер пятна от использованного пучка рентгеновского излучения составляет 400 мкм в диаметре.
   2. Образцы нагрузки на образце пластины. Поместите образец пластины в вакуумной камере XPS затем насосом камеру. Подождите , пока вакуум в камере , чтобы достичь ~ 1 × 10 ^-9 мбар.
   3. В программном обеспечении в фотоэлектронной спектроскопии, нажмите опцию "Flood Gun", чтобы затопить образцы с низкоэнергетических электронов, чтобы противодействовать поверхности загрузки.
   4. Нажмите кнопку "Вставить"> "Точка"> "Точка", чтобы вставить анализ POINт.
      Примечание: Это будет место , в котором проводится анализ. Включить функцию автоматического высоты, чтобы получить наилучшую высоту для приобретения.
   5. Нажмите кнопку "Вставить"> "Спектр"> "Мульти-спектр", чтобы добавить сканирование к этой точке.
      Примечание: При этом откроется окно с периодической таблицы; выберите элемент, нажав на нее, чтобы выделить его.
   6. После настройки экспериментов, нажмите команду "Play", чтобы продолжить сканы.
   7. Нажмите команду "Peak Fit", а затем нажмите кнопку "Добавить Пик" и "Fit всех уровней" команды для решения химически различных видов в спектрах высокого разрешения.
      Примечание: Этот шаг приобретет Ширли алгоритм для удаления фона и Gaussian-Лоренцевы фитинг deconvolute спектров ^19.
   8. Выбрать все высокого разрешения и обследования спектров. Нажмите опцию "Заряд Сдвиг" для коррекции спектров с использованием hydrocarbon компонент C 1s пика (энергии связи 285,0 эВ) в качестве эталона.
   9. После коррекции заряда, нажмите опцию "Экспорт" для создания таблицы данных об относительной концентрации атомов элементов на основе площади пика.
2. химия поверхности
   Примечание: Анализ химии поверхности с использованием нарушенного полного внутреннего отражения инфракрасного микро-спектроскопии (ATR-IR) на инфракрасном (ИК) спектроскопии пучкового при Австралийском синхротрон как следующее:
   1. Образцы нагрузки на стадии микроскопа. Откройте "Start Video Assisted Измерение" или опцию "Запуск измерений без 3D". Включите режим "ВИС" на. Используйте цель, чтобы сосредоточиться на поверхности образца. Нажмите кнопку "Snapshot / Обзор" принять необходимые изображения.
      Примечание: 0,5 мм толщиной CaF ₂ пластина может быть использована в качестве фона.
   2. Изменение цели ATR к образцу. Осторожно переместите сцену, чтобы поместить 45 ° мульти-отражение гер вмании кристалл (показатель преломления 4) 1-2 мм над поверхностью. Щелкните правой кнопкой мыши на окне видео в реальном времени. Нажмите кнопку "Пуск Измерение"> "Изменить параметры измерения". Выберите вариант "Никогда не использовать существующие BG для всех позиций".
      ПРИМЕЧАНИЕ: Это будет выбирать не брать фона спектры для каждой точки измерения.
   3. Нарисуйте карту на экране видео, чтобы выбрать интересующую область. Нажмите красную площадь диафрагмы и выберите "Апертура"> "Изменить диафрагмы". Изменение фактических параметров "Knife Edge" апертурой для Х = 20 мкм и Y = 20 мкм.
   4. Щелкните правой кнопкой мыши на вновь размера площади диафрагмы и перейдите в раздел "Aperture"> "Установить все проемы в выбранный Апертуры". Нажмите на иконку "Измерение", чтобы начать сканирование. Сохраните данные.
      Примечание: Показатель преломления Ge кристалла 4, так что отверстие 20 мкм × 20 мкм будет определять размер пятна 5 мкм × 5 мкм. Тхис шагом позволит настройке отображение FTIR с апертурой 20 до 20 мкм, что соответствует 5 мкм , на 5 мкм пятне через кристалл поперек максимальной дальностью волновом числе 4,000-850 см ^{- 1.}
   5. Открытый мастер-файл с помощью программного обеспечения спектроскопии. Выберите пик интереса на ИК-спектров. Щелкните правой кнопкой мыши на пике интереса. Выберите "Интеграция"> "Интеграция". Это позволит создать 2D ложные цвета карты
3. Измерения смачиваемости поверхности
   ПРИМЕЧАНИЕ: Выполните измерение смачиваемость с использованием контактного угла гониометра , оснащенного nanodispenser ^19.
   1. Поместите образец на сцене. Отрегулируйте положение узла микрошприц так, чтобы нижняя часть иглы появляется около четверти пути вниз на экране живого видео окна.
   2. Повысить образец не используя Z-ось, пока расстояние между образцом и поверхностью составляет около 5 мм. Переместите шприц вниз до капелькой Doubле дистиллированная вода соприкасается с поверхностью. Переместить шприц вверх в исходное положение.
   3. Нажмите команду "Выполнить", чтобы записать капельку воды, воздействующего на поверхность в течение 20 сек с помощью ПЗС-камеры, монохромный, который интегрирован с аппаратными средствами.
   4. Нажмите команду "Стоп", чтобы приобрести серию изображений.
   5. Нажмите кнопку "Угол контакта" команду для измерения углов контакта из полученных изображений. Повторить измерения угла смачивания в трех случайных местах для каждого образца.

3. Визуализация рельефа поверхности

1. Оптические измерения профилирование.
   Примечание: Прибор работает под белым светом режиме вертикального сканирования интерферометрии.
   1. Место образцов на стадии микроскопа.
      Примечание: Убедитесь , что имеется достаточный зазор (например,> 15 мм) между объективом и сценой.
   2. Фокус на поверхности с помощью5 × задачи путем контроля Z-оси до тех пор, пока полосы появляются на экране. Нажмите команду "Авто", чтобы оптимизировать интенсивность. Нажмите команду "Измерение", чтобы начать процесс сканирования. Сохраните мастер-файлы.
   3. Повторите шаг 3.1.2 для 20 × 50 × и задач.
   4. До статистической шероховатости анализа, нажмите кнопку "Удалить Tilt" вариант для удаления поверхности волнистость. Нажмите параметр "Контур" для анализа параметров шероховатости. Нажмите на опцию "3Di" для создания трехмерных изображений оптических файлов профилирование с использованием совместимого программного обеспечения ^20.
2. Атомно-силовой микроскопии
   1. Место образцов на стальных дисках. Вставьте стальные диски в магнитный держатель.
   2. Выполните AFM сканирование в режиме ²¹ нажав. Механически фосфатной нагрузки, легированного кремнием зонды с пружинной константой 0,9 Н / м, кривизны наконечника с радиусом 8 нм и резонансной частотой ~ 20 кГц для поверхностной обработки изображений.
   3. Ручная регулировка отражения лазера на кантилевер. Команда Выберите "Auto Tune", затем нажмите команду "Tune", чтобы настроиться на кантилевер AFM, чтобы достичь оптимальной резонансной частоты сообщает производитель.
   4. Фокус на поверхности. Перемещение советы близко к поверхности образца. Нажмите на Engage команду, чтобы привлечь AFM советы по поверхности.
   5. Введите "1 Гц" в скорости сканирования окна. Выберите области сканирования. Нажмите кнопку "Выполнить" команду для выполнения сканирования. Повторите сканирование по меньшей мере на десять областей каждого из пяти образцов каждого условия.
   6. Выберите вариант выравнивания, чтобы обработать полученную топографическую данные. Сохраните мастер-файлы.
   7. Откройте совместимое программное обеспечение AFM. Загрузите мастер-файл AFM. Нажмите "прокачка" команду, чтобы удалить наклон поверхностей. Нажмите "сглаживает" команду для удаления фона.
   8. Нажмите "Статистический анализ Параметры" для создания статистической шероховатости ^21.

4. Статистический анализ

1. Экспресс результаты с точки зрения среднего значения и стандартного отклонения. Выполнение статистической обработки данных с использованием двух хвостами t- тесты спаренных Стьюдента для оценки соответствия результатов. Установить р -value в <0,05 указывает на уровень статистической значимости.

Результаты

Собирали с покрытием стальные образцы , которые были подвергнуты воздействию солнечного света в течение либо одного или пяти лет, и измерения воды контактного угла были проведены , чтобы определить , были ли в результате экспозиции в изменении поверхностной гидроф...

Обсуждение

Полиэфирные покрытия широко используются для защиты стали субстраты от коррозии, которая имела бы место на непокрытую поверхность вследствие накопления влаги и загрязняющих веществ. Применение полиэфирных покрытий может защитить сталь от коррозии; Однако более долгосрочная эффекти...

Материалы

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