Recubrimientos multifuncionales para la protección de superficies metálicas
2023
Título | Recubrimientos multifuncionales para la protección de superficies metálicas |
Nombre | RUIZ COMÁN, Fernando |
Directora | Dra. Paula C. Angelomé |
Jurado | Dr. Paula Steinberg Ing. Martín Griffiths |
Lugar de realización | Dpto. Fundamentos y Aplicaciones de la Química, División Interfases y Nanomateriales, Gerencia Química, Gerencia de Área Seguridad Nuclear y Ambiente, CAC-CNEA. |
Resumen
La corrosión es un tema de relevante interés en la industria debido al gran impacto que económico
que tiene sobre ella. Además, casos más extremos han concluido en tragedias en las cuales ha habido
víctimas fatales. Para metales, actualmente la protección contra la corrosión se logra a través de
recubrimientos superficiales anticorrosivos que contienen cromatos. El uso de estos compuestos se
encuentra restringido en todo el mundo debido a su carácter tóxico y cancerígeno. Es debido a esto
que hoy en día se están desarrollando alternativas para eliminar este tipo de recubrimientos. Nace así
la alternativa de utilizar recubrimientos preparados por el método sol-gel aprovechando sus
características: buena adherencia a superficies metálicas, buenas propiedades barrera, alta área
superficial, posibilidad de funcionalizar la superficie, incorporar nanopartículas inhibidoras de
corrosión, etc. En base a esto, en el presente trabajo se estudió la síntesis de films delgados
mesoporosos sobre sustratos metálicos.
En primer lugar, se prepararon óxidos mesoporosos mediante spin y dip coating sobre aluminio y acero
austenítico. Se estudiaron distintos óxidos como matriz y distintos agentes moldeantes, para variar
la estructura y el tamaño de los poros. Los films obtenidos se caracterizaron mediante: microscopia
óptica, microscopía electrónica de barrido y de transmisión y técnicas de difracción de Rayos X
poniendo especial énfasis en determinar la porosidad del sistema, el orden de los poros, la formación
de fisuras en el film y otras alteraciones del sustrato. Así, se pudo comprobar que siguiendo los
protocolos tradicionales estudiados por el grupo de trabajo es posible obtener films mesoporosos
que recubren por completo los sustratos. Sin embargo, se observó también la aparición de fisuras y
grietas en la superficie de los films, así como también corrosión del acero austenítico.
En una segunda etapa, se fabricó un equipo que permite realizar recubrimientos por pulverización, y
se pusieron a punto las condiciones para preparar films delgados mesoporosos con el mismo, primero
sobre silicio y vidrio y después sobre metales. Se logró el desarrollo de dos métodos para obtener
films mesoporosos: método por tiempo controlado y método atemporal. Ambos resultaron sencillos,
rápidos y reproducibles y presentaron gran versatilidad en cuanto a la geometría y tamaño del sustrato.
Los films preparados por el método atemporal presentaron una porosidad similar a los sintetizados
por spin coating. A su vez, por ambos métodos de síntesis se logró obtener porosidad ordenada en
algunos de los sistemas ensayados. Finalmente, el aspecto visual de los films, en tanto, fue
considerablemente distinto al obtenido por los métodos tradicionales, principalmente porque no son
uniformes en espesor.
Por último, se estudió la funcionalización de los diferentes sistemas sintetizados en este trabajo. En
todos los casos se logró incorporar el colorante azul de metileno a las películas, demostrando que son
accesibles y pueden ser funcionalizadas con moléculas orgánicas.
En conclusión, el presente trabajo permitió determinar que es posible obtener películas delgadas
mesoporosas sobre sustratos metálicos, tanto por metodologías tradicionales (dip y spin coating) como
mediante pulverización. Además, se demostró que los films obtenidos pueden ser funcionalizados,
confirmando que es viable la posibilidad de utilizarlos como recubrimientos protectores contra la
corrosión.
Palabras claves: films delgados mesoporosos, sol-gel, recubrimientos protectores, inhibidores de
corrosión, recubrimiento por pulverización, funcionalización.
que tiene sobre ella. Además, casos más extremos han concluido en tragedias en las cuales ha habido
víctimas fatales. Para metales, actualmente la protección contra la corrosión se logra a través de
recubrimientos superficiales anticorrosivos que contienen cromatos. El uso de estos compuestos se
encuentra restringido en todo el mundo debido a su carácter tóxico y cancerígeno. Es debido a esto
que hoy en día se están desarrollando alternativas para eliminar este tipo de recubrimientos. Nace así
la alternativa de utilizar recubrimientos preparados por el método sol-gel aprovechando sus
características: buena adherencia a superficies metálicas, buenas propiedades barrera, alta área
superficial, posibilidad de funcionalizar la superficie, incorporar nanopartículas inhibidoras de
corrosión, etc. En base a esto, en el presente trabajo se estudió la síntesis de films delgados
mesoporosos sobre sustratos metálicos.
En primer lugar, se prepararon óxidos mesoporosos mediante spin y dip coating sobre aluminio y acero
austenítico. Se estudiaron distintos óxidos como matriz y distintos agentes moldeantes, para variar
la estructura y el tamaño de los poros. Los films obtenidos se caracterizaron mediante: microscopia
óptica, microscopía electrónica de barrido y de transmisión y técnicas de difracción de Rayos X
poniendo especial énfasis en determinar la porosidad del sistema, el orden de los poros, la formación
de fisuras en el film y otras alteraciones del sustrato. Así, se pudo comprobar que siguiendo los
protocolos tradicionales estudiados por el grupo de trabajo es posible obtener films mesoporosos
que recubren por completo los sustratos. Sin embargo, se observó también la aparición de fisuras y
grietas en la superficie de los films, así como también corrosión del acero austenítico.
En una segunda etapa, se fabricó un equipo que permite realizar recubrimientos por pulverización, y
se pusieron a punto las condiciones para preparar films delgados mesoporosos con el mismo, primero
sobre silicio y vidrio y después sobre metales. Se logró el desarrollo de dos métodos para obtener
films mesoporosos: método por tiempo controlado y método atemporal. Ambos resultaron sencillos,
rápidos y reproducibles y presentaron gran versatilidad en cuanto a la geometría y tamaño del sustrato.
Los films preparados por el método atemporal presentaron una porosidad similar a los sintetizados
por spin coating. A su vez, por ambos métodos de síntesis se logró obtener porosidad ordenada en
algunos de los sistemas ensayados. Finalmente, el aspecto visual de los films, en tanto, fue
considerablemente distinto al obtenido por los métodos tradicionales, principalmente porque no son
uniformes en espesor.
Por último, se estudió la funcionalización de los diferentes sistemas sintetizados en este trabajo. En
todos los casos se logró incorporar el colorante azul de metileno a las películas, demostrando que son
accesibles y pueden ser funcionalizadas con moléculas orgánicas.
En conclusión, el presente trabajo permitió determinar que es posible obtener películas delgadas
mesoporosas sobre sustratos metálicos, tanto por metodologías tradicionales (dip y spin coating) como
mediante pulverización. Además, se demostró que los films obtenidos pueden ser funcionalizados,
confirmando que es viable la posibilidad de utilizarlos como recubrimientos protectores contra la
corrosión.
Palabras claves: films delgados mesoporosos, sol-gel, recubrimientos protectores, inhibidores de
corrosión, recubrimiento por pulverización, funcionalización.
Complete Title
Abstract
Corrosion is a topic of significant interest in the industry due to its great economic impact.
Furthermore, more extreme cases have resulted in tragedies with fatal victims. For metals, corrosion
protection is currently achieved through anticorrosive surface coatings that contain chromates. The
use of these compounds is restricted worldwide due to their toxic and carcinogenic nature. It is for
this reason that alternatives are being developed nowadays to eliminate this type of coating. Thus,
the alternative of using coatings prepared through the sol-gel approach emerges, taking advantage of
their characteristics such as good adhesion to metal surfaces, good barrier properties, high surface
area, the possibility of surface functionalization, incorporation of corrosion-inhibiting nanoparticles,
etc. Based on this, the present work studied the synthesis of mesoporous thin films on metallic
substrates.
Firstly, mesoporous oxides were prepared using spin and dip coating on aluminum and austenitic
steel. Different oxides were studied as matrices, as well as different templating agents, to vary the
pore structure and size. The obtained films were characterized using optical microscopy, scanning
and transmission electron microscopy, and X-ray diffraction techniques, with a special emphasis on
determining the porosity of the systems, the pore ordering and the formation of cracks in the film or
other substrate alterations. Thus, it was possible to verify that by following the protocols developed
previously by our research group, it is possible to obtain mesoporous films that completely cover the
substrates. However, the appearance of cracks and fissures on the film surface, as well as corrosion
of the austenitic steel, were also observed.
In a second stage, an equipment capable of performing spray coating was fabricated, and the
conditions for preparing mesoporous thin films using this equipment were fine-tuned, first using
silicon and glass as substrates and then using metals. Two methods were developed to obtain
mesoporous films: a controlled time method and a timeless method. Both methods proved to be
simple, fast, reproducible, and versatile in terms of substrate geometry and size. The films prepared
by the timeless method exhibited a porosity similar to the one of those synthesized by spin coating.
Furthermore, both synthesis methods achieved ordered porosity in some of the tested systems.
Finally, the visual appearance of the films was considerably different from that obtained by traditional
methods, mainly because they were not uniform in thickness.
Lastly, the functionalization of the different systems synthesized in this work was studied. In all cases,
it was possible to incorporate the methylene blue dye into the films, demonstrating their accessibility
and the possibility of functionalizing them with organic molecules.
In conclusion, this work allowed determining that it is possible to obtain mesoporous thin films on
metallic substrates, both through traditional methodologies (dip and spin coating) and by spray
coating. Additionally, it was demonstrated that the obtained films can be functionalized, confirming
the viability of using them as protective coatings against corrosion.
Keywords: mesoporous thin films, sol-gel, protective coatings, corrosion inhibitors, spray coating,
functionalization.
Furthermore, more extreme cases have resulted in tragedies with fatal victims. For metals, corrosion
protection is currently achieved through anticorrosive surface coatings that contain chromates. The
use of these compounds is restricted worldwide due to their toxic and carcinogenic nature. It is for
this reason that alternatives are being developed nowadays to eliminate this type of coating. Thus,
the alternative of using coatings prepared through the sol-gel approach emerges, taking advantage of
their characteristics such as good adhesion to metal surfaces, good barrier properties, high surface
area, the possibility of surface functionalization, incorporation of corrosion-inhibiting nanoparticles,
etc. Based on this, the present work studied the synthesis of mesoporous thin films on metallic
substrates.
Firstly, mesoporous oxides were prepared using spin and dip coating on aluminum and austenitic
steel. Different oxides were studied as matrices, as well as different templating agents, to vary the
pore structure and size. The obtained films were characterized using optical microscopy, scanning
and transmission electron microscopy, and X-ray diffraction techniques, with a special emphasis on
determining the porosity of the systems, the pore ordering and the formation of cracks in the film or
other substrate alterations. Thus, it was possible to verify that by following the protocols developed
previously by our research group, it is possible to obtain mesoporous films that completely cover the
substrates. However, the appearance of cracks and fissures on the film surface, as well as corrosion
of the austenitic steel, were also observed.
In a second stage, an equipment capable of performing spray coating was fabricated, and the
conditions for preparing mesoporous thin films using this equipment were fine-tuned, first using
silicon and glass as substrates and then using metals. Two methods were developed to obtain
mesoporous films: a controlled time method and a timeless method. Both methods proved to be
simple, fast, reproducible, and versatile in terms of substrate geometry and size. The films prepared
by the timeless method exhibited a porosity similar to the one of those synthesized by spin coating.
Furthermore, both synthesis methods achieved ordered porosity in some of the tested systems.
Finally, the visual appearance of the films was considerably different from that obtained by traditional
methods, mainly because they were not uniform in thickness.
Lastly, the functionalization of the different systems synthesized in this work was studied. In all cases,
it was possible to incorporate the methylene blue dye into the films, demonstrating their accessibility
and the possibility of functionalizing them with organic molecules.
In conclusion, this work allowed determining that it is possible to obtain mesoporous thin films on
metallic substrates, both through traditional methodologies (dip and spin coating) and by spray
coating. Additionally, it was demonstrated that the obtained films can be functionalized, confirming
the viability of using them as protective coatings against corrosion.
Keywords: mesoporous thin films, sol-gel, protective coatings, corrosion inhibitors, spray coating,
functionalization.
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