SUPERVISOR
Ali Ashrafi,Mehdi Salehi
علي اشرفي (استاد راهنما) مهدي صالحي (استاد راهنما)
STUDENT
Sogand Abbaspoor Zanjani
سوگند عباس پورزنجاني
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.
چکيده در پژوهش حاضر، ميکرو/ نانوکپسولهاي اتيلسلولز حاوي روغن بزرک به عنوان عوامل اصلي ايجاد خاصيت خودترميم شوندگي در پوششهاي هوشمند خودترميم شونده، به روش امولسيونسازي-تبخير حلال سنتز شد. مشخصهيابي ماده هسته ميکرو و نانوکپسولهاي سنتز شده توسط آزمون طيفسنجي تبديل فوريه مادون قرمز انجام گرديد. نتايج حاصل از اين آزمون نشان داد روغن بزرک با موفقيت درون ميکرو و نانوکپسولها بارگذاري شده است. توزيع اندازه و ميانگين قطر نانوکپسولها توسط آناليز توزيع اندازه ذرات بررسي شد. نتايج حاصل از اين آناليز نشان داد ميانگين قطر نانوکپسولهاي سنتزشده در دو اندازه 8/472 و 8/78 نانومتر بوده است. ميانگين قطر ميکروکپسولهاي سنتز شده نيز با استفاده از تصاوير ميکروسکوپي نوري تهيه شده از آنها، 4/108 ميکرون بهدست آمد. بررسي مورفولوژي سطح کپسولها با استفاده از تصاوير ميکروسکوپي الکتروني روبشي نشان داد، کپسولهاي سنتز شده داراي هندسه کاملاً کروي و مورفولوژي سطح نسبتاً صاف ميباشند. ميکرو و نانوکپسولهاي سنتز شده با هدف توليد پوشش خودترميمشونده، به صورت جداگانه با رنگ پلييورتان مخلوط شده و بر روي ورقهاي فولاد ساده کربني اعمال شدند. همچنين، نمونهاي از پوشش بدون کپسول به عنوان پوشش مرجع تهيه شد. نتايج حاصل از آزمون چسبندگي پوششها نشان داد که حضور ميکرو/نانوکپسولها به دليل خاصيت خودتراوايي پوسته و پرکردن عيوب درون پوشش توسط روغن بزرک رها شده، منجربه افزايش استحکام چسبندگي پوشش پلييورتان شده است. در ادامه، عملکرد خودترميمشوندگي و مقاومت به خوردگي پوششها پس از ايجاد خراش استاندارد روي آنها، توسط آزمونهاي امپدانس الکتروشيميايي مدتدار با اعمال سيکلهاي خشک-ترشوندگي به منظور شبيهسازي شرايط خوردگي اتمسفري و آزمون پلاريزاسيون پتانسيوديناميک و پلاريزاسيون خطي در محلول %5/3 وزني سديم کلريد ارزيابي شد. نتايج آزمونها نشان داد که مقاومت پوششهاي داراي کپسول در مقايسه با پوشش پلييورتان بدون کپسول، افزايش يافته است. همچنين با گذشت زمان مقدار مقاومت پوشش مرجع و پوشش داراي ميکروکپسول کاهش يافت، که اين امر به دليل نفوذ تدريجي محلول خورنده به زير پوشش بوده است؛ در حاليکه پوششهاي داراي نانوکپسول با احراز خاصيت خودترميم شوندگي خواص سدي پوشش را حفظ کردند و مقاومت آنها پس از گذشت زمان کوتاهي پايدار شد. به علاوه تصاوير ميکروسکوپي الکتروني روبشي نمونهها نيز ترميم خراش ايجاد شده توسط پليمريزاسيون اکسيداسيوني روغن بزرک را براي اين نمونهها نشان داد. نتايج آزمون پاشش نمک به منظور بررسي عملکرد خوردگي پوششها در برابر خوردگي اتمسفري نيز نتايج آزمونهاي خوردگي انجام شده را تأييد کرد. به منظور بررسي مقاومت به جدايش پوششها تحت شرايط حفاظت کاتدي، آزمون جدايش کاتدي براي نمونههاي داراي عيب اوليه انجام شد. نتايج نشان داد که پوشش مرجع و پوشش حاوي ميکروکپسولها پس از گذشت 192 ساعت دچار جدايش کامل از زيرلايه شدند. در حاليکه نمونههاي داراي نانوکپسول مقاومت به جدايش بسيار خوبي از خود نشان داده و پس از گذشت 500 ساعت ناحيه جدا شده از پوشش در اطراف عيب اوليه، بسيار ناچيز مشاهده شد. همچنين، نتايج آزمون امپدانس الکتروشيميايي براي اين نمونهها پايداري مقاومت به خوردگي آنها را در اين بازه زماني نشان داد. در تمامي آزمونهاي انجام شده، پوششهاي حاوي نانوکپسول بهترين عملکرد خوردگي و خودترميم شوندگي را از خود نشان دادند. به علاوه، با کاهش اندازه نانوکپسولها تمامي خواص بررسي شده بهبود يافتند. نتايج نشان داد که پوشش خودترميم شونده پلييورتان حاوي نانوکپسول اتيلسلولز ميتواند پوشش بسيار مناسبي در کاربردهاي خوردگي اتمسفري با و بدون اعمال سيستم حفاظت کاتدي عمل نمايد. کلمات کليدي: خودترميم شونده، نانوکپسول، ميکروکپسول، اتيلسلولز، خودتراوايي، خوردگي اتمسفري.