SUPERVISOR
Ali Ashrafi
علي اشرفي (استاد راهنما)
STUDENT
Narges Ghafouri Varnosfaderani
نرگس غفوري ورنوسفادراني
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394
TITLE
Production, Characterization and Evaluation of the Corrosion Behavior of Smart Self -Healing Nanocomposite Coatings based on Polyurethane having Nanofibers of Ethylcellulose Containing Linseed Oil
Atmospheric corrosion is one of the most common types of corrosion, which is considered as a major challenge for industries and equipments. Annually, a lot of expenses are spent for mitigating the atmospheric corrosion in industrial structures, including the oil reservoir shells, the stands and the oil and gas transmission pipelines. Therefore, monitoring and controlling this kind of corrosion is very important issue. In the present research, for producing smart self-healing nanocomposite coatings, nanofibers made of ethylcellulose as shells with/ and without linseed oil as core were produced using the electrospining method. Investigation of the presence of linseed oil in the ethylcellulose nano fibers has been done using the Fourier-transform infrared spectroscopy and optical microscopy. As well, the morphology of the ethylcellulose nanofibres has been studied using the scanning electron microscopy. Moreover, the average diameter of the nanofibers has been calculated using the Image-J software. The average diameter of the ethylcellulose nanofibers without linseed oil was 146-197 nm, and the ethylcellulose nanofibers containing linseed oil was 360 – 1300nm. In order to process of the smart nanocomposite coatings having the self-healing property, the ethylcellulose nanofibers with/ and without linseed oil have been coated on carbon steel substrates by electrospinning method. After this process, the polyurethane coating has been applied on the substrates using the brushing method. A control sample (PU) has been prepared using the simple polyurethane coating. The corrosion resistance and the self-healing property of the resulting coatings have been studied in 3.5 wt% NaCl solutions using the electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and linear polarization (LP) methods on scratched samples. The results obtained revealed the coatings with highest corrosion resistance. The optimized one in the category of polyurethane/ ethylcellulose nanofibers nanocomposite coatings without linseed oil, was the coating having 12% w/v ethylcellulose (E12L00) and in the category of polyurethane/ Ethyl Cellulose Nanofibers nanocomposite coatings having 12% w/v ethylcellulose containing 30 wt% linseed oil (E12L30) had better performance than other samples. The results of the EIS and LP tests have been revealed that the E12L00 and E12L30 nanocomposite coatings have been exhibited more corrosion resistance than the PU coatings till the long times. Also because of the healing the scratches due to the oxidation of the linseed oil, the E12L30 coating has been shown the better operation than the E12L00 coating at long times. Over the time, by appearing the self-healing property, the corrosion resistance of the E12L30 nanocomposite coatings and the barrier properties of these coatings became stable. The atmospheric corrosion resistance of the scratched specimens has been characterized using the salt spray exposure test. The healing process of cracks due to the oxidation of linseed oil, has resulted in increasing the corrosion resistance of the E12L30 nanocomposite coating among the other coatings. In addition, the scanning electron micrographs of scratched coatings after the exposure in specific time has been indicated the healing of the cracks by oxidation of linseed oil. The adhesion strength of the E12L00 and E12L30 nanocomposite coatings and the control sample have been compared. The results revealed that the adhesion strength of the E12L00 nanocomposite coatings has been increased due to the physical bonding of ethylcellulose nanofibres with polyurethane coating and filling of the probable defects. In this manner, the adhesion strength of the E12L30 nanocomposite coating has been increased due to the permeability of ethylcellulose shells and thus the healing process of defects by linseed oil. Eventually, for the purpose of evaluating the corrosion behavior of these coatings under the cathodic protection conditions, the standard cathodic disbonding test has been performed on the coatings. The E12L00 and E12L30 nanocomposite coatings exhibited greater cathodic disbonding resistance than the PU control coating. Also, in the E12L30 coating, over time, the oxidation of linseed oil around the defect area has been prevented the penetration of corrosive agents. Into the coating/ substrate intersection. Keywords : Atmospheric corrosion, Nanocomposite coating, Self- healing, Nanofiber, Ethylcellulose, Linseed Oil, Polyurethane.
چکيده خوردگي اتمسفري يکي از رايج ترين انواع خوردگي است که به عنوان چالشي مهم در صنايع و تجهيزات به شمار مي آيد. ساليانه هزينه هاي زيادي صرف مقابله با خوردگي اتمسفري در سازه هاي صنعتي از جمله جداره مخازن نفتي، پايه ها و خطوط لوله انتقال نفت و گاز مي شود. بنابراين پايش و کنترل اين نوع خوردگي از اهميت بسزايي برخوردار است. در تحقيق حاضر با هدف ايجاد پوشش هاي نانوکامپوزيتي هوشمند خودترميم شونده، نانوالياف هاي داراي پوسته اي از جنس اتيل سلولز با/ و بدون هسته روغن بزرک به روش الکتروريسي توليد شد. بررسي حضور روغن بزرک درون نانوالياف هاي اتيل سلولز، با استفاده از طيف سنجي تبديل فوريه مادون قرمز و تصاوير ميکروسکوپي نوري صورت گرفت. مورفولوژي نانوالياف هاي اتيل سلولز با/ و بدون روغن بزرک توسط ميکروسکوپ الکتروني روبشي بررسي شد. ميانگين قطر نانوالياف ها با استفاده از نرم افزار ImageJ محاسبه شد، که ميانگين قطر نانوالياف هاي اتيل سلولز بدون روغن بزرک 197-146 نانومتر و نانوالياف هاي اتيل سلولز حاوي روغن بزرک 360 نانومتر تا 3/1 ميکرومتر بود. به منظور توليد پوشش نانوکامپوزيتي هوشمند داراي ويژگي خودترميم شوندگي، نانوالياف هاي اتيل سلولز با/ و بدون روغن بزرک بر روي نمونه هاي فولاد ساده کربني به روش الکتروريسي پوشش دهي و پس از آن پوشش پلي يورتان بر روي نمونه ها اعمال شد. همچنين نمونه مرجع با پوشش پلي يورتان (PU) تهيه شد. در ادامه به منظور بررسي عملکرد مقاومت به خوردگي و همچنين بررسي ويژگي خودترميم شوندگي پوشش ها آزمون هاي طيف سنجي امپدانس الکتروشيميايي (EIS) و پلاريزاسيون خطي (LP) بر روي نمونه هاي خراش دار در محلول NaCl %wt 5/3 انجام شد. پوشش هاي بهينه داراي بهترين عملکرد خوردگي تعيين شد، که در مورد پوشش هاي نانوکامپوزيتي پلي يورتان/ نانوالياف هاي اتيل سلولز بدون روغن بزرک، پوشش داراي w/v %12 اتيل سلولز (ٍE12L00) و در مورد پوشش هاي نانوکامپوزيتي پلي يورتان/ نانوالياف هاي اتيل سلولز حاوي روغن بزرک پوشش داراي w/v %12 اتيل سلولز حاوي wt %30 روغن بزرک (E12L30) داراي عملکرد بهتري نسبت به ساير نمونه ها بودند. نتايج حاصل از آزمون هاي EIS و LP حاکي از برتري رفتار خوردگي پوشش هاي نانوکامپوزيتي ٍE12L00 و E12L30 در زمان هاي طولاني، نسبت به پوشش PU بود. همچنين به دليل ترميم و بسته شدن خراش ها توسط اکسيداسيون روغن بزرک، پوشش E12L30نسبت به پوشش ٍE12L00 در زمان هاي طولاني بهتر عمل کرد. با گذشت زمان، مقاومت به خوردگي پوشش هاي نانوکامپوزيتي E12L30 و خواص سدي اين پوشش ها با احراز ويژگي خودترميم شوندگي پايدار شد. آزمون مه نمک نيز به عنوان معياري از خوردگي اتمسفري بر روي نمونه هاي بهينه خراش دار انجام شد. به دليل ترميم ترک به وسيله اکسيداسيون روغن بزرک، رفتار مقاومتي پوشش نانوکامپوزيتي ٍE12L30 نسبت به دو پوشش ديگر بهتر بود. همچنين تصاوير ميکروسکوپي الکتروني روبشي پوشش هاي خراش دار پس از گذشت زمان، بيان گر ترميم ترک ها به وسيله اکسيداسيون روغن بزرک بود. استحکام چسبندگي نمونه هاي نانوکامپوزيتي ٍE12L00 و ٍE12L30 با پوشش PU مقايسه شد. استحکام چسبندگي پوشش هاي نانوکامپوزيتي ٍE12L00 به دليل پيوند فيزيکي نانوالياف هاي اتيل سلولز با پوشش پلي يورتان و پر کردن حفرات احتمالي افزايش يافت. همچنين در مورد پوشش هاي نانوکامپوزيتي ٍE12L30 ، به دليل تراوا بودن پوسته اتيل سلولز، حفرات به وسيله روغن بزرک ترميم و بسته شده و موجب افزايش استحکام چسبندگي گرديد. در انتها، به منظور ارزيابي رفتار اين نوع از پوشش ها در شرايط حفاظت کاتدي، آزمون جدايش کاتدي نيز بر روي پوشش هاي بهينه داراي نقص اوليه انجام شد. پوشش هاي نانوکامپوزيتي ٍE12L00 و ٍE12L30 نسبت به پوشش PU مقاومت به جدايش کاتدي بهتري از خود نشان دادند. همچنين در پوشش ٍE12L30 با گذشت زمان، اطراف منطقه نقص توسط اکسيداسيون روغن بزرک بسته شده و از نفوذ عوامل خورنده به فصل مشترک پوشش/ فلز جلوگيري شد. کلمات کليدي: خوردگي اتمسفري، پوشش نانوکامپوزيتي، خود ترميم شونده، نانوالياف، اتيل سلولز، روغن بزرک، پلي يورتان.