SUPERVISOR
Fatallah Karimzadeh,Ali Ashrafi
فتح اله کریم زاده (استاد راهنما) علی اشرفی (استاد راهنما)
STUDENT
Narges Ghaed Amini
نرگس قائدامینی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392
TITLE
Fabrication, Characterization and Evaluation of Smart Self- healing Antifouling Coatings based on Poly Urea- Formaldehyde Micro/ Nano Capsules
In recent years corrosion-resistant self-healing coatings have witnessed strong growth and their successful laboratory design and synthesis categories them in the family of smart/multi-functional materials. Among various approaches for achieving self-healing, microcapsule embedment through the material matrix is the main one for self-healing ability in coatings. In this study, the effect of micro / nano capsules containing linseed oil for the restoration of micro-cracks in the epoxy coating was investigated. Capsules by in-situ polymerization of Urea-formaldehyde resin to form a shell around linseed oil droplets were synthesized. Various parameters such as the type of stirrer, the type of material stabilizer, stirring speed and stirring blade on the morphology and size of the capsules were investigated. The results showed that the optimum conditions for the synthesis of capsules by combining two of the poly vinyl alcohol and sodium dodecyl sulfate as surfactant, the use of a mechanical stirrer with a three-bladed propeller with a stirring rate of 300 rpm for the microcapsules and use of mechanical homogenizer with rate over 20000 rpm to produce nano capsules. The capsule features such as shape, size, morphology and thickness of the shell were studied by polarized light microscopy, scanning electron microscopy (SEM) and field emission scanning electron microscope (FESEM). FTIR test was used to prove the success of the encapsulation process. Microcapsules are perfectly spherical shape, with a diameter of 500-600µm, with 84.6 weight percent of linseed oil and a shell thickness was 300-400nm. Nanocapsules synthesized by the geometry of the sphere, the size of the diameter of 75-130nm and 93.43 weight percent of linseed oil were carrying. After the gain of capsule with favorable conditions, these particles are added to epoxy resin in the form of coating on carbon steel substrates were applied. Self-healing properties and performance of anti-corrosion coatings containing micro / nano capsules by using electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and salt spray test (Salt spray) were evaluated. The results showed that coatings containing Nanocapsules compared with coatings containing Microcapsules much better performance and fifteen percent by weight of the capsule is a much better performance and higher efficiency than other percentages. In this study, in addition to achieving self-healing and anti-corrosion properties another aim was studied. In fact, the ability of the capsule to store the core material provided its application in the context of other coatings such as antifouling coating which requires to a gradual release of biocides for improve performance. To produce coatings with antifouling property a vegetive biocide (Bitter melon leaf) and two environmentally friendly biocide contains powdered titanium oxide (TiO 2 ) and zinc oxide powder (ZnO) was used. To achieve a coating with two self-healing capability and antifouling property simultaneously, addition of bitter melon biocide, linseed oil also used in the form of a combination with Bitter melon leaf extract as core material. FTIR spectra confirmed that the vegetive biocide used with linseed oil, has been successfully encapsulated by urea-formaldehyde shell. Antifouling property of prepared coatings using algae growth test was conducted. All Macroscopic surface testing, measure test to determine the levels of chlorophyll in the biomass and determine dry weight biomass attached to samples, demonstrated that the best antifouling property obtained by coatings containing 15 Wt.% of nano capsules carrier linseed oil and leaf extract of bitter melon with distribution of titanium oxide particles within the matrix of coating. Keywords: self-healing coatings, in situ polymerization, urea-formaldehyde resins, epoxy, biocides, antifouling coating.
در سال های اخیر پوشش های خودترمیم شونده ی ضدخوردگی پیشرفت های چشمگیری داشته اند و طراحی و ساخت آزمایشگاهی موفقیت آمیز آن ها، این نوع پوشش ها را در زمره ی خانواده ی مواد هوشمند/ چند منظوره طبقه بندی کرده است. در میان روش های متنوعی که برای دستیابی به قابلیت خودترمیم شوندگی در مواد وجود دارد، جاسازی کپسول های حاوی عامل ترمیم کننده درون زمینه یکی از اصلی ترین راهکارهای ایجاد این توانایی در پوشش هاست. در این پژوهش تأثیر میکرو/ نانوکپسول های حاوی روغن بزرک برای ترمیم میکرو ترک های ایجاد شده در پوشش اپوکسی مورد بررسی قرار گرفت. کپسول ها توسط روش پلیمریزاسیون درجا رزین اوره- فرمالدهید برای تشکیل پوسته در اطراف قطره های روغن بزرک سنتز شدند. پارامترهای مختلفی از جمله نوع همزن، نوع ماده ی پایدارکننده، سرعت هم زدن و نوع پرهی همزن بر مورفولوژی و اندازهی کپسولها بررسی شد. نتایج نشان داد که شرایط بهینه جهت سنتز کپسول ها استفاده از ترکیب دو ماده ی پلی وینیل الکل و سدیم دودسیل سولفات به عنوان عوامل فعال سطحی، کاربرد همزن مکانیکی با پروانه ی سه پره ای با سرعت هم زدن rpm300 برای تهیه ی میکروکپسول ها و کاربرد هموژنایزر مکانیکی با سرعت هم زدن بیش از rpm20000 جهت تولید نانوکپسول هاست. ویژگی های این کپسول ها از قبیل شکل، اندازه، مورفولوژی و ضخامت پوسته توسط میکروسکوپ نوری پلاریزه، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی (FESEM) مورد مطالعه قرار گرفت. از آزمون (FTIR) نیز برای اثبات موفقیت فرایندکپسوله کردن استفاده شد. میکروکپسول ها به شکل کاملاً کروی، به قطرµm600-500، حاوی 6/84 درصد وزنی روغن بزرک و دارای پوسته ای به ضخامت nm400-300 بودند. نانوکپسول های سنتز شده نیز به شکل هندسی کره، اندازه ی قطری در محدوده ی nm 130-75 و حامل 43/93 درصد وزنی روغن بزرک بودند. پس از حصول کپسول هایی با شرایط مطلوب، این ذرات به رزین اپوکسی اضافه شده و در قالب پوشش روی زیرلایه های فولاد ساده ی کربنی اعمال شدند. خواص خودترمیم شوندگی و نیز عملکرد ضدخوردگی پوشش های حاوی میکرو/ نانوکپسول توسط آزمون طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) و آزمون پاشش نمک (Salt spray) مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که پوشش های حاوی نانوکپسول در مقایسه با پوشش های حاوی میکروکپسول، میزان مقاومت به خوردگی بیشتر و مقدار پانزده درصد وزنی کپسول نسبت به سایر درصدها رفتار ترمیمی بهتری دارد. در این پژوهش علاوه بر دستیابی به خاصیت خودترمیم شوندگی و ضدخوردگی هدف دیگری نیز مورد بررسی و مطالعه قرار گرفت. در واقع توانایی کپسول ها در ذخیره کردن ماده ی هسته، زمینه ی کاربرد آن ها را در سایر پوشش ها از جمله پوشش های ضدخزه که به منظور بهبود عملکرد نیازمند رهایش تدریجی زیست کش ها هستند، فراهم می آورد. جهت تولید پوشش هایی با خاصیت ضدخزگی از یک زیست کش گیاهی به نام برگ خربزه ی تلخ (Bitter melon leaf) و دو زیست کش سازگار با محیط زیست شامل پودر اکسید تیتانیم (TiO 2 ) و پودر اکسید روی (ZnO) بهره گرفته شد. برای دستیابی به یک پوشش با دو قابلیت خودترمیم شوندگی و ضدخزگی به صورت توأمان، افزون بر زیست کش خربزه ی تلخ از روغن بزرک نیز به عنوان ماده ی هسته و به شکل ترکیبی با عصاره ی برگ خربزه ی تلخ استفاده شد. طیف FTIR تأیید کرد که روغن بزرک به همراه زیست کش گیاهی مورد استفاده، با موفقیت در پوسته ی اوره- فرمالدهید کپسوله شده است. خاصیت ضدخزگی پوشش های تهیه شده با استفاده از آزمون رشد خزه انجام شد. مشاهدات ماکروسکوپی سطح نمونه ها، آزمون سنجش میزان کلروفیل موجود در بیومس متصل به سطوح و آزمون تعیین وزن خشک بیومس همگی حاکی از احراز بهترین خاصیت ضدخزگی در پوشش حاوی 15 درصد وزنی نانوکپسول های حامل روغن بزرک و عصاره ی برگ خربزه ی تلخ به همراه ذرات پخش شده ی زیست کش اکسید تیتانیم درون زمینه ی پوشش بودند. کلمات کلیدی: پوشش های خودترمیم شونده، پلیمریزاسیون درجا، رزین اوره- فرمالدهید، اپوکسی، زیست کش، پوشش ضدخزه.