بخشی از مقاله
چکیده:
عملکرد پوششهای خودترمیم شوندهی هیبریدی اپوکسی و پلی یورتانی پر شده با نانوکپسولهای بارگذاری شده با روغن بزرک و پتاسیم اتیل زانتات و بنزوتری آزول بر روی فیلمهای مسی مورد بررسی قرار گرفت. ویژگی های نانوکپسولهای سنتز شده با استفاده از تکنیکهایی مانند FTIR و SEM به ترتیب برای بررسی ساختار شیمایی و مورفولوژی نانوکپسولها مورد استفاده قرار گرفت. خاصیت ضد خوردگی پوششهای تهیه شده با استفاده از تکنیکهای EIS مورد بررسی قرار گرفت. جهت کاهش تعداد آزمایشهای طراحی شده و همچنین بررسی عملکرد پوششها از روش تاگوچی بهره برده شد.
واژه های کلیدی: نانوکپسول، خودترمیمی، پوشش ضد خوردگی، تاگوچی
مقدمه
مس و آلیاژهای آن به طور گسترده در ساختمان ها، مواد، مهندسی الکترونیک و معماری مورد استفاده قرار میگیرند. تخریب و از بین رفتن این ساختارها و مواد موجب وارد شدن ضرر اقتصادی فراوانی خواهد شد. خوردگی یکی از مهمترین مسائل میباشد که باعث تخریب ساختارهای فلزی شده و موجب ضرر و زیان اقتصادی و جانی فراوان برای کشورها میشود .[1]برای حل این مشکل از سال 1980 پوششهای خود ترمیم شونده با الهام گرفتن از سیستمهای بیولوژیکی و محیط اطراف برای افزایش کارایی پوشش و جلوگیری از خوردگی مورد استفاده قرار گرفته اند. این پوششها قابلیت ترمیم ترک ها و خراشهای بسیار ریز در حد میکرو را داشته و طول عمر و امنیت اجزای پلیمری را افزایش میدهند.
بدین منظور، روشهای مختلفی وجود دارند و مورد استفاده قرار میگیرند. یکی از این روشها، استفاده از کپسولهایی در سایز میکرو/نانو بارگذاری شده با مواد مختلف در داخل رنگهای صنعتی است. این مواد بارگذاری شده معمولا موادی هستند که با اجزاء دیگر واکنش داده و محل خراش را پر و ترمیم میکنند. درکل وجود مادهای دیگر به عنوان کاتالیست برای تکمیل فرآیند ترمیم باعث ایجاد نقص در فرآیند ترمیم میشود و ممکن است به صورت کامل انجام نپذیرد. اما، برخی روغن های طبیعی هوا خشک به عنوان مواد خود ترمیم استاده میشوند که نیازی به کاتالیست نداشته و در حضور هوا و مکانیسم های مختلف خشک می شوند و نقص های سیستم های دو و یا چند جزئی را ندارند 4]،3،.[2
اما برای افزایش کارایی پوشش ها، برخی عوامل ضد خوردگی نیز میتوانند مورد استفاده قرار بگیرند. از این رو اخیرا برخی عوامل ضد خوردگی هتروسیکلی مانند بنزوتری آزول برای فلز مس مورد استفاده قرار گرفته است. مادهی ضد خوردگی دیگر با سمیت پایینتر در مقایسه با ترکیبات هتروسیکلی برای فلز مس مورد استفاده قرار گرفته است، پتاسیم اتیل زانتات میباشد برای تهیه پوششهای چند منظوره با قابلیت ترمیم و ضد خوردگی بالا، پوششهای هیبریدی طراحی و ساخته شدهاند.. Silva و همکارانش از نانوکپسولهای بارگذاری شده با روغن بزرک و مرکاپتوبنزوتیازول برای ایجاد پوششهای هیبریدی با دو عامل فعال استفاده کردهاند.[6]
در این تحقیق، نانوکپسولهای اوره - فرمالدهیدی با استفاده از روش پلیمریزاسیون درجا سنتز شد و با روغن بزرک بارگذاری شد. پتاسیم اتیل زانتات و بنزوتری آزول به عنوان عوامل ضد خوردگی در پوششهای اپوکسی و پلی یورتانی مورد استفاده قرارگرفتند. طراحی آزمایش جهت ساخت پوششهای هیبریدی و همچنین ارزیابی عملکرد پوششهای طراحی شده با استفاده از روش تاگوچی انجام شد. تاگوچی روشی آماری است که در زمینه های مختلف و برای کاهش تعداد آزمایش های طراحی شده و نتیجتا برای صرفه جویی در زمان و کاهش هزینهها مورد استفاده قرار میگیرد .[7]
بخش تجربی
مواد
اوره، فرمالدهید، آمونیوم کلرید، رزورسینول، سدیم دودسیل سولفات، زایلن، اکتانول، هیدروکلریک اسید، بنزوتری آزول و آمونیوم کلرید با خلوص بالا از شرکت مرک خریداری شدند. برای سنتز پتاسیم اتیل زانتات، اتانول، کربن دی سولفید و پتاسیم هیدروکسید با خلوص بالا از شرکت مرک خریداری شدند. رنگ اپوکسی و پلی یورتان به همراه سخت کنندهی آنها از شرکت باژاک خریداری شد. نمونه صنعتی از روغن بزرک مورد استفاده قرار گرفت.
فرآیند کپسوله کردن
5 میلی لیتر از محلول %5 وزنی سدیم دو دسیل سولفات در 130 میلی لیتر آب مقطر در دمای اتاق مخلوط شد. تحت شرایط هم زدن توسط همزن مکانیکی با سرعت 400 دور بر دقیق، 2,5 گرم اوره، 0,25 گرم آمونیوم کلرید و 0,25 گرم رزورسینول به محلول بالا اضافه شد و تا به دست آمدن محلول شفاف هم زده شد. سپس pH محلول با محلول 1 مولار هیدروکلریک اسید به3 تنظیم شد و 30 میلی لیتر روغن بزرک به آرامی تحت هم زدن اضافه شد تا امولوسیون پایدار تشکیل شود. قبل از اضافه شدن مونومر دوم جهت شروع پلیمریزاسیون، برای به دست آوردن کپسولهایی با اندازه کوچکتر، به مدت 120 ثانیه و در بازه های زمانی 20 ثانیه از پروب اولتراسونیک جهت شکستن قطرات روغن به ذرات کوچکتر استفاده شد. سپس دور همزن مکانیکی به 600 دور بر دقیقه افزایش یافت و 6 میلی لیتر محلول %37 فرمالدهید به آرامی اضافه شد. دمای واکنش به 55 درجه سیلیسوس افزایش یافت و واکنش به مدت 5 ساعت ادامه یافت. محصول حاصل با سانتریفیوژ از محلول جدا شد و چندین بار با آب مقطر شستشو داده شد. در نهایت محصول حاصل چندین بار بار با زایلن شستشو داده شد تا روغن بزرک محبوس نشده حذف شود. نانوکپسولهای حاصل تحت شرایط خلاء و در دمای 40 درجه سیلیسیوس به مدت 2 روز در خشک شد .[4]
سنتز پتاسیم اتیل زانتات
2,5 گرم پتاسیم هیدروکسید در 20 میلی لیتر اتانول حل شد تا محلول شفاف به دست آید، سپس 10 میلی لیتر کربن دی سولفید تحت هم زدن به محلول اضافه شد و در دمای اتاق به مدت 12 ساعت واکنش داده شد. محصول زرد رنگ با دی اتیل اتر شسته شد و در دمای 40 درجه سیلیسیوس به مدت 1 روز خشک شد.[8]
استخراج با سوکسوله و اسپکتروسکوپی IR
جداسازی و شناسایی پوسته و هستهی نانوکپسولهای سنتز شده با سوکسوله انجام شد. 0,5 گرم از نانوکپسولها با استفاده از هاون خرد شد و در داخل یک انگشتانه با وزن مشخص قرار گرفت. استخراج روغن بزرک با استفاده از زایلن به عنوان حلال انجام گرفت. پس از 3 ساعت استخراج در دمای 145 درجه سیلیسوس، انگشتانه از سوکسوله خارج شد و در دمای 40 درجه سیلیسیوس به مدت 24 ساعت خشک شد. برای شناسایی پوسته و هسته از IR استفاده شد. برای محاسبهی مقدار روغن کپسوله شده از رابطهی 1 استفاده شد.
آنالیز میکروسکوپ الکترونی
مطالعهی مورفولوژی سطح، شکل و اندازه نانوکپسولهای سنتز شده و همچنین بررسی کپسولهای شکسته شده با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی انجام گرفت.
طراحی آزمایش با استفاده از تاگوچی
برای طراحی آزمایشهای مختلف و همچنین ارزیابی کارایی پوششهای هیبریدی تهیه شده، طراحی ترکیبی 2-4 سطحه از تاگوچی مورد استفاده قرار گرفت. فاکتورهای مورد مطالعه عبارتند از: درصد وزنی نانوکپسول، درصد وزنی مادهی ضد خوردگی، نوع مادهی ضد خوردگی و رنگ مورد استفاده. شکل نهایی آزمایش طراحی شده در جدول 1 نشان داده شدهاند.از پراکندگی کامل توسط پروب اولتراسونیک به رنگ اضافه شده و با قلمو بر روی فیلمها اعمال شد.پس از خشک شدن کامل، خراشی X شکل با ضخامت تقریبی 30 میکرومتر بر روی نمونه ها جهت شکسته شدن کپسولها و شروع ترمیم احتمالی ایجاد شد. سپس تمام نمونه ها در محلول 3,5 درصد وزنی نمک غوطه ور شدند تا بررسی های خوردگی بر روی آنها انجام شود.
تست چسبندگی
چسبندگی اولیه رنگ بر روی فیلمها با آزمایش pull-off مورد بررسی قرار گرفت.آماده سازی نمونه ها تست خوردگی برای اندازه گیری مقدار مقاومت نمونه ها در برابر خوردگی از رنگ اپوکسی و سخت کنندهی آن با نسبت 1:3 و رنگ پلی روش اسپکتروسکوپی امپدانس الکتروشیمیایی استفاده شد. در یورتانی وسخت کنندهی آن با نسبت 1:4 مخلوط شده و از زایلن این روش نمونه ها در محلول %3,5 وزنی آب نمک و در دمای به عنوان رقیق کننده استفاده شد. 16 قطعه مسی با اندازه 1*1 به 25 درجه سیلیسیوس، با استفاده از الکترود Ag/AgCl به عنوان شکل مربع تهیه شد و یک طرف فیلمها و 4 گوشه آن با استفاده الکترود مرجع، الکترود پلاتینی به عنوان کمکی و فیلم مورداز پلی استر پوشش داده شد تا عایق شده و بتوان خوردگی مطالعه به عنوان الکترود کار در بازهی فرکانسی بین 1 تا 100000 یکنواخت را مورد مطالعه قرار داد. فیلمها بر اساس آزمایش هرتز با ولتاژ سینوسی 10 میلی ولت اعمال شده مورد مطالعه قرار طراحی شده تاگوچی تهیه شدند. بدینصورت که افزودنی ها پس گرفتند.
