SUPERVISOR
Ali Ashrafi,Mehdi Salehi
علی اشرفی (استاد راهنما) مهدی صالحی (استاد راهنما)
STUDENT
Sogand Abbaspoor Zanjani
سوگند عباس پورزنجانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392
TITLE
Development, Characterization and Investigation of the Atmospheric Corrosion Resistance of Self-healing Polyurethane-based Composite Coatings Containing Ethyl Cellulose Nanocapsules
In this study, ethyl cellulose micro/nanocapsules containing linseed oil have been synthesized via emulsification-solvent evaporation method as the main agents for the self-healing properties in smart self-healing coatings. Characterization of micro/nanocapsules core material has been evaluated using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR). Results obtained revealed that the linseed oil has been successfully loaded into the micro and nanocapsules. Size distribution and average diameter of nanocapsules have been investigated using the particle size distribution analysis method. Results have shown that the synthesized nanocapsules had the average diameters of 472.8 and 78.8nm. The average diameter of microcapsules evaluated 108.4µm, using the optical microscopic images. Morphological characterization of the obtained microcapsules showed that the capsules had spherical shape with smooth and uniform outer shell. In order to produce self-healing coatings, the prepared micro and nanocapsules were individually embedded into the polyurethane resin and applied on carbon steel panels. A coating without capsules has been prepared as the reference sample. The adhesion test results showed that presence of micro/nanocapsules with permeable shell properties enhanced the adhesion strength of the polyurethane coatings due to filling the coating defects by releasing linseed oil. Self-healing performance and corrosion resistance of coatings having the standard cross-cut on them, have been evaluated using electrochemical impedance spectroscopy test at different time intervals using the dry-wet cycles in order to simulate the atmospheric corrosion conditions. Potentiodynamic polarization and linear polarization tests have been performed in 3.5wt% NaCl solution. Test results revealed that corrosion resistance of coatings containing capsules have been increased compare to the reference coating sample. Moreover, the resistance of the reference coating and microcapsules containing coatings decreased with elapsing of time, which was due to corrosive agents’ penetration beneath the coatings. The nanocapsules containing coatings maintained their barrier properties due to their self-healing performance and also their resistance remained stable after a short period. Besides, scanning electron microscopic images of samples showed the healing of the scratches caused by oxidative polymerization of linseed oil. Salt spray exposure test for evaluating corrosion performance of coatings in atmospheric corrosion conditions, confirmed the former corrosion test results. To investigate the delamination resistance of coatings under cathodic protection, the cathodic disbonding test was performed on samples with an artificial defect. Results revealed that the reference and microcapsules containing coatings delaminated after elapsing 192 hours, while nanocapsules containing coatings showed very good delamination resistance and disbonded coating areas around the artificial defects were found negligible after about 500 hours of immersion. The electrochemical impedance tests also revealed the stability in corrosion resistance of the coatings in mentioned time period. According to all characterization tests, nanocapsules containing coatings showed the best corrosion resistance and self-healing performance. Besides, all the studied properties have been improved by decreasing the nanocapsules sizes. Results revealed that self-healing coating containing ethyl cellulose nanocapsules would be a proper coating in atmospheric corrosion conditions, for systems with and without the cathodic protection. Keywords: Self-healing, nanocapsules, microcapsules, ethyl cellulose, permeability, atmospheric corrosion.
در پژوهش حاضر، میکرو/ نانوکپسولهای اتیلسلولز حاوی روغن بزرک به عنوان عوامل اصلی ایجاد خاصیت خودترمیم شوندگی در پوششهای هوشمند خودترمیم شونده، به روش امولسیونسازی-تبخیر حلال سنتز شد. مشخصهیابی ماده هسته میکرو و نانوکپسولهای سنتز شده توسط آزمون طیفسنجی تبدیل فوریه مادون قرمز انجام گردید. نتایج حاصل از این آزمون نشان داد روغن بزرک با موفقیت درون میکرو و نانوکپسولها بارگذاری شده است. توزیع اندازه و میانگین قطر نانوکپسولها توسط آنالیز توزیع اندازه ذرات بررسی شد. نتایج حاصل از این آنالیز نشان داد میانگین قطر نانوکپسولهای سنتزشده در دو اندازه 8/472 و 8/78 نانومتر بوده است. میانگین قطر میکروکپسولهای سنتز شده نیز با استفاده از تصاویر میکروسکوپی نوری تهیه شده از آنها، 4/108 میکرون بهدست آمد. بررسی مورفولوژی سطح کپسولها با استفاده از تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی نشان داد، کپسولهای سنتز شده دارای هندسه کاملاً کروی و مورفولوژی سطح نسبتاً صاف میباشند. میکرو و نانوکپسولهای سنتز شده با هدف تولید پوشش خودترمیمشونده، به صورت جداگانه با رنگ پلییورتان مخلوط شده و بر روی ورقهای فولاد ساده کربنی اعمال شدند. همچنین، نمونهای از پوشش بدون کپسول به عنوان پوشش مرجع تهیه شد. نتایج حاصل از آزمون چسبندگی پوششها نشان داد که حضور میکرو/نانوکپسولها به دلیل خاصیت خودتراوایی پوسته و پرکردن عیوب درون پوشش توسط روغن بزرک رها شده، منجربه افزایش استحکام چسبندگی پوشش پلییورتان شده است. در ادامه، عملکرد خودترمیمشوندگی و مقاومت به خوردگی پوششها پس از ایجاد خراش استاندارد روی آنها، توسط آزمونهای امپدانس الکتروشیمیایی مدتدار با اعمال سیکلهای خشک-ترشوندگی به منظور شبیهسازی شرایط خوردگی اتمسفری و آزمون پلاریزاسیون پتانسیودینامیک و پلاریزاسیون خطی در محلول %5/3 وزنی سدیم کلرید ارزیابی شد. نتایج آزمونها نشان داد که مقاومت پوششهای دارای کپسول در مقایسه با پوشش پلییورتان بدون کپسول، افزایش یافته است. همچنین با گذشت زمان مقدار مقاومت پوشش مرجع و پوشش دارای میکروکپسول کاهش یافت، که این امر به دلیل نفوذ تدریجی محلول خورنده به زیر پوشش بوده است؛ در حالیکه پوششهای دارای نانوکپسول با احراز خاصیت خودترمیم شوندگی خواص سدی پوشش را حفظ کردند و مقاومت آنها پس از گذشت زمان کوتاهی پایدار شد. به علاوه تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی نمونهها نیز ترمیم خراش ایجاد شده توسط پلیمریزاسیون اکسیداسیونی روغن بزرک را برای این نمونهها نشان داد. نتایج آزمون پاشش نمک به منظور بررسی عملکرد خوردگی پوششها در برابر خوردگی اتمسفری نیز نتایج آزمونهای خوردگی انجام شده را تأیید کرد. به منظور بررسی مقاومت به جدایش پوششها تحت شرایط حفاظت کاتدی، آزمون جدایش کاتدی برای نمونههای دارای عیب اولیه انجام شد. نتایج نشان داد که پوشش مرجع و پوشش حاوی میکروکپسولها پس از گذشت 192 ساعت دچار جدایش کامل از زیرلایه شدند. در حالیکه نمونههای دارای نانوکپسول مقاومت به جدایش بسیار خوبی از خود نشان داده و پس از گذشت 500 ساعت ناحیه جدا شده از پوشش در اطراف عیب اولیه، بسیار ناچیز مشاهده شد. همچنین، نتایج آزمون امپدانس الکتروشیمیایی برای این نمونهها پایداری مقاومت به خوردگی آنها را در این بازه زمانی نشان داد. در تمامی آزمونهای انجام شده، پوششهای حاوی نانوکپسول بهترین عملکرد خوردگی و خودترمیم شوندگی را از خود نشان دادند. به علاوه، با کاهش اندازه نانوکپسولها تمامی خواص بررسی شده بهبود یافتند. نتایج نشان داد که پوشش خودترمیم شونده پلییورتان حاوی نانوکپسول اتیلسلولز میتواند پوشش بسیار مناسبی در کاربردهای خوردگی اتمسفری با و بدون اعمال سیستم حفاظت کاتدی عمل نماید. کلمات کلیدی: خودترمیم شونده، نانوکپسول، میکروکپسول، اتیلسلولز، خودتراوایی، خوردگی اتمسفری.