“Síntesis de Compositos Al2O3/PMMA y ZrO2/PMMA por Mezclado en Solución y Obtención de Recubrimientos en Acero Inoxidable 304 por Dip-Coating”

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ELSA GUADALUPE ALVAREZ CORONADO

 

RESUMEN

El acero inoxidable, como todos los metales, presenta problemas de corrosión. En particular el acero AISI 304  también presenta problemas de resistencia al rayado en algunas de sus aplicaciones. Para contribuir en mejorar su resistencia a la corrosión y al rayado, en el presente trabajo se investiga sobre la obtención de recubrimientos de materiales compuestos de ƴAl2O3/PMMA, α – Al2O3/PMMA y ZrO2/PMMA  por dip-coating en acero inoxidable AISI 304.

Este trabajo se realizó en tres etapas (1) síntesis de materiales compuestos de Al2O3/PMMA y ZrO2/PMMA por  mezclado en solución; (2) obtención de recubrimientos de los sistemas Al2O3/PMMA y ZrO2/PMMA sobre sustratos de acero noxidables 304 y (3) evaluación como recubrimientos protectores contra la corrosión.

La primera etapa consistió en la obtención de películas de Al2O3/PMMA (utilizando α ó ƴAl2O3) y ZrO2/PMMA. Las variables de estudio fueron el tipo de solvente, el método de agitación (mecánica y ultrasonido), agente dispersante, el tipo de óxido (Al2O3 y ZrO2) y la cantidad de óxido metálico. Los materiales obtenidos se caracterizaron química y estructuralmente por espectroscopia infrarroja (IR-ATR), análisis termogravimétrico (TGA), difracción de rayos X (DRX) y espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS). La homogeneidad de las muestras fue analizada por  microscopia óptica (MO) y electrónica de barrido (MEB).

El uso de ultrasonido y etanol para dispersar la fase inorgánica, en conjunto con agitación mecánica y CHCl3 para disolver al PMMA permitieron obtener películas cerámico/polímero homogéneas. Los espectros FTIR-ATR de las muestras presentan desplazamientos del pico del grupo carbonilo en 1722 cm- a valores mayores, lo cual indica una interacción del PMMA con Al2O3 y ZrO2. A mayor contenido de óxido el oesplazamiento es mayor. Los  Termogramas de las muestras indican que la temperatura de descomposición del PMMA incrementa con el contenido de Al2O3 y ZrO2, lo cual sugiere la formación de compositos y-Al2O3/PMMA y ZrO2/PMMA. Los difractogramas también sugieren la formación de compositos debido a que existe un reacomodo de la estructura cerámico-polímero. Los espectros XPS de alta resolución de C1S y O1s para PMMA, Al2O3 , ZrO2 y para los  materiales compuestos Al2O3 /PMMA y ZrO2/PMMA    confirman que existe interacción química entre la Al2O3 con PMMA y la ZrO2 con el PMMA  con PMMA y la ZrO2 con el PMMA, respectivamente.

En la segunda etapa se obtuvieron recubrimientos de materiales compuestos α-Al2O3 /PMMA, y-Al2O3 /PMMA, ZrO2/PMMA, mediante la técnica de dip-coating sobre sustratos de acero AISI 304. Se estudió el efecto del tiempo de mezclado (una, dos y tres horas) y el efecto del contenido de óxido (1, 10 y 42 % para la Al2O3•, 1, 10 y 33 % para la ZrO2 ) sobre la homogeneidad, espesor, dureza y adherencia de los recubrimientos.

Los resultados obtenidos de la caracterización mediante MO y MEB indicaron que los recubrimientos de los tres sistemas cerámico/polímero son homogéneos. Los resultados de perfilometría indicaron que el espesor de los recubrimientos de α-Al2O3/PMMA y ZrO2/PMMA incrementó con el tiempo de mezclado y con el contenido de óxido; los recubrimientos del sistema α-Al2O3/PMMA presentaron mayor espesor. Los resultados de microdureza Vickers de los recubrimientos del sistema Al2O3/PMMA indicaron que la dureza incrementa con el contendido de Al2O3. Los valores de dureza de los recubrimientos del sistema ZrO2/PMMA fueron mayores El recubrimiento RZ5 presentó la mayor dureza de todos los recubrimientos (608 HV25g). En general, todos los recubrimientos presentaron mayor dureza que el sustrato AISI 304 (270 HV25g).

En cuanto a los resultados de adherencia con la norma ASTM D 3359-02, se obtuvo que los recubrimientos del  sistema y-Al2O3/PMMA presentaron mayor adherencia (100 %) al sustrato que los recubrimientos del sistema a-Al2O3/PMMA. La adherencia de los recubrimientos del sistema ZrO2/PMMA también resultó ser excelente (mayor del 95%). Los resultados de adherencia obtenidos usando la norma No. 81 de DAIMLER BENZ indicaron que a  mayor contenido de Al2O3 la adherencia disminuye, lo cual se debe a que el espesor se incrementa. La adherencia de los recubrimientos de ZrO2/PMMA disminuye con el aumento del contenido de ZrO2 y con el tiempo de mezclado.

En la tercera etapa correspondiente a la evaluación de la corrosión, los resultados obtenidos del estudio usando una solución de NaCl al 3.5 % indicaron que tanto el acero como los sustratos recubiertos con compositos de  Al2O3 /PMMA y ZrO2/PMMA presentaron poca corrosión. La velocidad de corrosión del acero sin recubrir y recubierto con PMMA después de la cuarta semana de inmersión fue de 0.07 gim2año y 0.05 g/m año,  respectivamente. La velocidad de degradación de los recubrimientos RCG4 y RCG7 del sistema y-Al2O3/PMMA fue de 0.057 y 0.070 g/m2año, mientras que la de los recubrimientos RCA4 y RCA7 del sistema α-Al2O3/PMMA fue de 1.1 y 1.2 g/m2año. Los recubrimientos RZ3 y RZ5 presentaron una velocidad de degradación de 0.76 y 0.097 g/m2año. Por otra parte, los resultados de hierro disuelto medidos a la cuatro semanas de exposición indican que Es  recubrimientos RCG4 y RZ3 (IO % de óxido metálico) presentaron poca disolución de hierro (0.03 mg/L y 0.06 mg/L, respectivamente) en comparación a la disolución de los recubrimientos del sistema α-Al2O3/PMMA (cuyos valores fueron de 0.52 mg/L, 0.18 mg/L y 0.13 mg/L para los recubrimientos RCA3, RCA4 y RCA7, respectivamente.

Los resultados obtenidos de las pruebas de corrosión en la atmósfera marina indican que tanto el acero como los sustratos recubiertos se clasifican por su corrosión en la categoría Cl según la norma ISO 9223. La presencia de  cloruros y sulfatos en conjunto con la humedad y la radiación solar presentes en un estudio en atmósfera marina, aceleraron la degradación de los recubrimientos así como la oxidación de los sustratos. Los recubrimientos de ZrO2/PMMA presentaron menor degradación. Los resultados de pérdida en peso y velocidad de degradación concuerdan con los obtenidos en el estudio de laboratorio usando una solución de NaCl al 3.5 %.

 

“Síntesis de Compositos Al2O3/PMMA y ZrO2/PMMA por Mezclado en Solución y Obtención de Recubrimientos en Acero Inoxidable 304 por Dip-Coating”


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