ÁREA
Química de Materiais
Autores
Borges de Andrade, A. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE JATAÍ) ; Moraes Arantes, T. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOAIS) ; Mendonça de Oliveira, G. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE JATAÍ)
RESUMO
O uso de nanopartículas tem contribuído para um avanço tecnológico, como no caso da área de proteção à corrosão. Nesse sentido, o objetivo desta pesquisa é investigar o comportamento de nanopartículas de sílica (SiO2) individual e associada a TiO2 e ZrO2¬, nas combinações SiO2-TiO2 e SiO2-ZrO2, como inibidores de corrosão do aço 1020, empregando-se filmes finos obtidos por dip-coating. Para a verificação da taxa de corrosão (mm/ano-1) são empregados ensaios de curvas de polarização. Observa-se que valores mais positivos de potenciais têm a melhor proteção anticorrosiva. Considerando-se estes aspectos da literatura, neste trabalho busca-se a avaliar os efeitos das variáveis: temperatura de tratamento térmico dos filmes, quantidade de imersão e composição da solução de nanopartículas.
Palavras Chaves
Dip-Coating; Filmes; Nanopartículas
Introdução
Os nanomateriais estão relacionados ao termo conhecido como nanotecnologia, onde os processos de sínteses são realizados pela mistura de materiais, em que ao menos um dos componentes está em tamanho de escala nanométrica (1 a 100 nanômetros) (Magdalena, 2021). Para Ferrari et. al. p. 082, (2012), acredita-se que a nanotecnologia está presente em diferentes áreas industriais, como exemplos: produção de materiais na forma de filmes, chips, celulares, produtos farmacêuticos, estudos embriológicos, tintas, baterias e capturadores de gás CO2, entre outras inúmeras situações tecnológicas. Enfatiza-se que esta transformação da nanotecnologia vem sendo imprescindível ao avanço tecnológico que encontra com várias aplicabilidades no setor industrial. De acordo com Melo (2009), os estudos envolvendo a nanotecnologia concentram-se na criação de novas estruturas, resultando em propriedades especificas de amplas aplicações. Caracteriza-se também, por envolverem maneira interdisciplinar diferentes campos de estudos, como por exemplo: a química, a física, a engenharia de materiais, a bioquímica, a biofísica, a medicina e a ciência da computação. Com essa interdisciplinaridade podem ser desenvolvidos vários meios benéficos a sociedade, e com o avanço da nanotecnologia tem ficado cada vez mais fácil acontecer essas melhoras de equipamentos e produtos. Dentre os avanços na síntese de nanomateriais se destacam as nanopartículas metálicas. O campo industrial já vem desenvolvendo nanopartículas que combatem e previnem a corrosão dos metais diminuindo assim o processo de oxidação e de degradação desses substratos, aumentando sua durabilidade em termos de vida útil. Ferrari et. al. p. 082, (2012), relatou que algumas indústrias de tintas anticorrosivas, tem solicitado cada vez mais algum tipo de revestimento que seja eficiente, durável e ambientalmente amigável e que tenham efeitos anticorrosivos. As nanopartículas podem ser sintetizadas por meio do método conhecido como processo sol-gel, uma técnica química de via úmida que envolve a gelificação (gel) de solução (sol). Assim, no método sol-gel, uma solução gelifica para a formação de um gel de propriedade viscosa, tal procedimento envolve algumas etapas importantes tais como: hidrólise e poli condensação, gelificação, envelhecimento, secagem, densificação e cristalização. Este método possui a vantagem de que pode ser obtido em baixa temperatura, de maneira homogenia e não se tem impurezas no seu produto final. (STAMBOLOVA, et. al., p. 05-011, 2018). Pelo método sol-gel é possível preparar revestimentos com características especificas, como o caso de óxidos amorfos ou cristalinos, que apresentam diferentes efeitos sobre a inibição à corrosão (KIRTAY, p. 4309-4315, 2014). Também permite a sintetize de filmes com nanopartículas funcionalizadas, que alteram suas características, como: antidesgaste, capacidade protetiva, possibilita que seja feito um tratamento térmico, a deposição de multicamadas para melhor resultados, entre outros fatores, sendo muito aplicadas em substratos metálicos (PAVLOVSKA, et. al., 206-210, 2014). Autores como Stambolova, et.al., p. 05-011, (2018), Kirtay, p. 4309-4315, (2014), Bautista-Ruiz, et. al., p. 4144-4157, (2014), Perdomo, et. al., (1998), Saravanan, e Dubey, p. 311-316, (2021), Mikhailov, et.al., p. 160-283, (2021), retratam que a utilização de nanopartículas obtidas pelo método sol-gel possibilita a síntese de óxido de silício (SiO2), óxido de titânio (TiO2), óxido de zircônio (ZrO2). Essas nanopartículas tem sido utilizada no campo industrial como inibidoras de corrosão, sendo empregadas na forma de filmes finos obtidos por dip-coatin¬g. Kirtay, p. 4309-4315, (2014) relata que a técnica dip-coating tem sido utilizada nos processos de recobrimento de superfície metálicas com formação de filmes que levam a proteção à corrosão. De modo geral, verifica-se que os filmes são obtidos: i) com velocidade de retirada de solução de 15cm/min; ii) em temperatura de 60°C para a secagem do filme, entre imersões; iii) usando- se água deionizada como solvente; iv) 30 minutos para secagem e v) 2 horas de tratamento térmico com pré-aquecimento. Enquanto, Atik et. al. p. 142-148, (1995) e De Lima Neto et. al. p. 177-184, (1994) mostram que a temperatura para o tratamento térmico dos filmes com a variação de tempo afeta as características de inibição à corrosão. Diante o comportamento da sílica como amorfa sua melhor caracterização é de 600°C e 700°C e que a quantidade de imersão na solução apresentou uma diferença na taxa de corrosão significativa com isso foi realizado 5 e 8 imersões nas soluções. Sendo assim, espera-se que as nanopartículas de SiO2, TiO2 e ZrO2 e suas misturas SiO2 - TiO2 e SiO2 - ZrO2 tenham efeito de proteção a corrosão do aço. Com isso, foi realizado um estudo do comportamento do SiO2 associado a TiO2 e ZrO2 avaliando as curvas de polarização obtidas no substrato de aço revestidos com filmes finos das nanopartículas.
Material e métodos
Preparo do substrato Utilizou-se chapas de aço 1020 com medidas de 680mmx110mmx2mm e com área de 0,5024cm2 expostas nas medidas de curvas de polarização. O aço foi lixado a seco com lixa na ordem: 120, 220, 400, 600 e 1200. A limpeza do substrato foi realizada com: água deionizada e detergente neutro, levado até o ultrassom por 15 min; enxaguado e desengordurada com ACETONA P.A. por 15min no ultrassom para retirada de qualquer impureza final e secas com papel toalha. Síntese de Nanopartículas de Sílica (SiO2) A nanopartículas de dióxido de silício (SiO2) foi sintetizada utilizando-se dois Erlenmeyer com 50 ml de Álcool Etílico Absoluto (ETOH) em cada. Colocou-se 9ml de Tetraethyl Ortosilicate (TEOS), e separadamente 4ml de Hidróxido de Amônio (NH4(OH)) e juntou lentamente as soluções permanecendo sob agitação por 1440 min. Posteriormente foi colocado essa solução em tubos Falcon e centrifugado, ao final a solução é levada a estufa com temperatura de 50,0°C por 1440 min. Síntese de Titânio (TiO2) As nanopartículas de dióxido de titânio (TiO2) foram sintetizadas por meio da hidrolise hidrotermal do gel de peroxicomplexo de titânio (PCT), a partir da reação entre o Isopropóxido de Titânio IV (Ti (OCH(CH3)2¬)4) e o Peróxido de Hidrogênio (H2O2) a 30%, num sistema sob refluxo por 15 min a temperatura de 80,0°C. Utilizou-se 10 g do gel e 45ml de água deionizada, sendo essa mistura colocada em um reator autoclave de teflon, inserida em uma estufa a temperatura de 140,0°C mantida por 1440 min.. em seguida, realizou-se a secagem em estufa a uma temperatura de 80,0°C por 720 min. Síntese de Zircônio (ZrO2) As nanopartículas de Zircônio (ZrO2) foram sintetizadas por meio da hidrolise hidrotermal de sua solução aquosa de Oxicloreto de Zircônio (IV) Octahidratado (ZrOCl2*8H2O) com concentração de 0,25 mol. L-1 e com Peróxido de Hidrogênio (H2O2) 30%, sendo utilizada uma razão de volume de 7,5:1. A mistura dos reagentes foi colocada em reator autoclave de teflon e levado para a estufa a uma temperatura de 120,0°C, por 1440 min. A secagem do material final foi realizada em estufa a uma temperatura de 50,0°C por 1440 min. Obtenção dos filmes Os filmes foram obtidos nas condições de 1 a 6: 1) SiO2 com 8 camadas a temperatura de 600°C; 2) SiO2 com 5 camadas a temperatura de 700°C; 3) SiO2-TiO2 dispersão com 5 camadas a temperatura de 700°C; 4) SiO2-TiO2 reacional com 8 camadas a temperatura de 600°C; 5) SiO2-ZrO2 dispersão com 8 camadas a temperatura de 700°C; 6) SiO2-ZrO2 reacional com 5 camadas a temperatura de 600°C; a escolha desses parâmetros foi para investigar o comportamento das nanopartículas de sílica em combinações diferentes. Todos os demais parâmetros necessários para a fabricação do filme pelo método dip-coating foram mantidos constantes. Para a verificação da taxa de corrosão são empregados ensaios de curvas de polarização. Observa-se que valores mais positivos de potenciais têm a melhor proteção anticorrosiva.
Resultado e discussão
Através da curva de polarização dos filmes obtidos nas condições de 1 a 6: 1)
SiO2 com 8 camadas a temperatura de 600°C; 2) SiO2 com 5 camadas a temperatura
de 700°C; 3) SiO2-TiO2 dispersão com 5 camadas a temperatura de 700°C; 4) SiO2-
TiO2 reacional com 8 camadas a temperatura de 600°C; 5) SiO2-ZrO2 dispersão com
8 camadas a temperatura de 700°C; 6) SiO2-ZrO2 reacional com 5 camadas a
temperatura de 600°C; foi possível analisar a taxa de corrosão (mm.ano-1). A
Figura 1 mostra qual foi o comportamento dos filmes quando se é obtido a taxa de
corrosão pro lado A e B da amostra.
Por meio da curva de polarização de cada filme proposto foi realizado em
triplicata, efetuado a medição da curva de polarização do lado A e lado B, com
os resultados obtidos foi calculado a média, desvio padrão, variância e o erro.
Na Tabela 1 podemos observar os valores encontrados de cada filme.
Após a curva de polarização e coleta dos valores da taxa de corrosão da amostra
tanto do lado A e do B, calculou-se então a média, variância e o erro (95%)
entre as triplicatas. Com a obtenção do valor de média, permitiu-se fazer a
diferença B e A e obter o erro amostral. Na Tabela 2 é possível verificar os
valores encontrados em todos os cálculos e o Gráfico 1 mostra como esse erro
obtido se comporta em relação aos filmes.
Com os valores calculados pode-se afirmar que o lado A amostra 2) SiO2 com 5
camadas e tratada a 700°C apresentou a menor taxa de corrosão (mm.ano-1) com um
valor médio de 0,0518 mm.ano-1. A amostra 5) SiO2-ZrO2 dispersão com 8 camadas e
tratada a 700°C foi quem apresentou a maior taxa de corrosão com 1,2075 mm.ano-
1. Ao ser analisado o lado B podemos ver que a amostra 3) SiO2-TiO2 dispersão
com 5 camadas e tratado a 700°C obteve 0,2143 mm.ano-1 e a 6) SiO2-ZrO2
reacional com 5 camadas a 600°C teve 1,5777 mm.ano-1. As demais amostras
apresentaram variações ao ser analisadas ou foi por erro durante a execução das
medidas ou pelo fato de os filmes ter a necessidade de apresentar mais camadas
ou ser tratadas em menor temperatura.
Por meio das médias obtidas se calculou a diferença do lado B e A e o erro,
através da plotagem do gráfico se nota que o maior erro ocorreu na amostra 5 e a
menor no 3, as demais apresentou-se erros significativos quando se faz a
diferença entre os resultados obtidos. Esses erros podem ter ocorrido quando se
fez a medição na célula eletroquímica, onde o lado B pode ter entrado em contato
com a solução de NaCl 3,5% peso antes de estar analisando respectivo lado e com
isso ocasionou o processo corrosivo antecipadamente afetando-se assim a medição
e obtenção dos resultados. Porem mesmos com esses erros podemos afirmar que o
filme empregado no substrato fez a inibição da corrosão, já que o percentual de
corrosão do aço 1020 encontrado sem a deposição de filmes fica em torno de 1,947
mm.ano-1.
Comportamento da curva de polarização a) lado A de \r\ncada filme; b) lado B dos filmes.
Resultados obtidos através da curva de polarização \r\nmédia e erro
Conclusões
A inserção de filmes de nanopartículas SiO2, TiO2, ZrO2 e suas misturas SiO2-TiO2, SiO2-ZrO2 afetam a taxa de corrosão, sendo que as menores são obtidas com a composições de lado A amostra 2) SiO2 com 5 camadas e tratada a 700°C com um valor médio de 0,0518 mm.ano-1 e lado B 3) SiO2-TiO2 dispersão com 5 camadas e tratado a 700°C obteve 0,2143 mm.ano-1. A mistura de SiO2-ZrO2 não foi favorável em nenhuma das amostras preparadas. Conclui-se que os filmes depositados no aço 1020 tem o efeito de inibição contra a corrosão.
Agradecimentos
Agradeço primeiramente a CAPES, posteriormente ao PPGQ e a UFJ na qual estudo, ao curso de física pela parte de verificação das nanoparticulas e por fim a empresa Jateamento e Pintura ALXA LTDA.
Referências
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