ساخت و مشخصه یابی پوشش نانوکامپوزیتی PDMS-SiO2-CuO بر فولاد زنگ نزن و ارزیابی رفتار آبگریزی آن

نویسندگان

1 1- دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، 84151-83111، ایران

2 2- دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی شریف

چکیده

با پیشرفت در زمینه توسعه مواد زیستی جایگزین بافت‌های بدن، توجه محققین به بهبود ویژگی‌های کاشتنی‌ها در زمینه پزشکی و کلینیکی افزایش یافته است. در این راستا، با وجود ویژگی‌‌های قابل قبول فولاد زنگ‌‌نزن، کاربرد این ماده به‌عنوان کاشتنی به‌دلیل رفتار خوردگی به نسبت ضعیف، محدود شده است. هدف از این پژوهش، ساخت پوشش نانوکامپوزیتی آبگریز پلی‌‌دی‌‌متیل- سیلوکسان (PDMS)- اکسید سیلیسیم (SiO2)-اکسید مس(CuO) بر زیرلایه فولاد زنگ‌‌نزن گرید پزشکی(L316) به‌منظور بهبود رفتار خوردگی و زیست‌سازگاری آن است. در این راستا، با استفاده از روش پوشش‌‌دهی غوطه‌‌وری، سطوح ورق‌‌های فولادی با استفاده از نانوذرات اکسید سیلیسیم (20 درصد وزنی پلیمر دی‌متیل سیلوکسان)، مقادیر مختلف از نانوذرات اکسید مس (0، 5/0، 1 و 2 درصد وزنی) و پلیمر زیست‌‌سازگار پلی‌‌دی‌‌متیل‌‌سیلوکسان پوشش داده شد. آزمون‌‌های پراش پرتو ایکس و میکروسکوپی الکترونی روبشی به‌منظور ارزیابی پوشش‌‌ها و پودرهای سنتز شده استفاده شد. همچنین، تغییرات زبری سطح و زاویه ترشوندگی پوشش‌‌های حاوی مقادیر مختلفی از نانوذرات اکسید مس و در پایان، تأثیر مقادیر مختلفی از اکسید مس بر رفتار خوردگی پوشش‌‌های نانوکامپوزیتی مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج پراش پرتو ایکس حضور فاز کریستالی نانوذرات اکسید مس را بر زیرلایه اثبات کرد. به‌دلیل طبیعت آمورف نانوذرات سیلیکا و نیمه‌کریستالی پلیمر پلی‌‌دی‌‌متیل- سیلوکسان، هیچ قله‌‌ای مبنی بر تأیید حضور این اجزا مشاهده نشد. تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی حضور یک لایه پوشش با مورفولوژی نیلوفر آبی را در نمونه‌‌های حاوی یک و دو درصد اکسید مس روی سطح نشان می‌‌دهد. همچنین، نتایج ارزیابی زاویه ترشوندگی نشان داد که سطح بدون حضور نانوذرات اکسید مس دارای زاویه ترشوندگی 5±81 درجه است و با افزودن نانوذرات اکسید مس تا یک درصد وزنی به بیش از 5±146 درجه رسید. همچنین نتایج آزمون خوردگی در محلول شبیه‌سازی شده بدن نشان داد که نمونه حاوی دو درصد اکسید مس با چگالی جریان خوردگی 7-E1/2 آمپر بر سانتی‌‌متر‌‌ مربع و پتانسیل خوردگی 22/0 ولت دارای بیشترین مقاومت به خوردگی در بین نمونه‌‌ها است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Preparation and Characterization of PDMS-SiO2-CuO Nanocomposite Coating on Stainless Steel and Its Super-hydrophobicity Property

نویسندگان [English]

  • Sh. Tavakoli dehaghi 1
  • M. Kharaziha 1
  • S. Darvishi 1
  • Sh. Nemati 2
  • M. Kharaziha 1
1 1. Department of Material Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, 83111-84151, Iran.
2 2. Materials Engineering Department, Sharif University of Technology, Tehran, Iran.
چکیده [English]

Abstract: With the advances in the development of biomaterials for tissue replacement, the attention of scientists has been focused on the improvement of clinical implant properties. In this regard, despite the appropriate properties of the stainless steel, the application of stainless steel as implants has been limited due to the weak corrosion resistivity. The purpose of this paper was preparation and characterization of hydrophobic polydimethylsiloxane (PDMS)-SiO2-CuO nanocomposite coating on the 316L stainless steel surface. The 316L stainless steel was coated by SiO2 nanoparticles (20 wt. %), CuO nanoparticles (0.5, 1 and 2 wt. %) and biocompatible PDMS. In this research, x-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) were applied to characterize the coating. Moreover, the roughness and water contact angle of the coatings consisting of various amounts of CuO nanopowder were estimated. Finally, the effects of various amounts of the CuO nanopowder on the corrosion resistivity of nanocomposite coatings were investigated. XRD patterns confirmed the presence of crystalline CuO nanoparticles on the substrate. Due to the non-crystalline nature of silica nanoparticles and the semi-crystalline PDMS polymer, no peak confirming the presence of these phases was detected on the XRD pattern of the nanocomposite coating. SEM images showed the formation of a lotus leaf-like layer on the surface of the nanocomposite coating containing 1 and 2 wt. % CuO. Moreover, water contact angle evolution revealed that while contact angle was 81 degree without CuO nanoparticles, it was enhanced to 146 degree in the presence of 1 wt. % CuO. Moreover, the corrosion study showed the nanocomposite containing 2 wt.% CuO had the best corrosion resistance, the corrosion current density of 2.1E-7 A.cm-2, and the corrosion potential of 0.22 V.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Nanocomposite coating
  • Stainless steel 316L
  • CuO nanoparticles
  • Hydrophobicity
  • PDMS

مراجع

1. Garcia, C., “Bioactive Coatings Prepared by Sol-gel on Stainless Steel 316L”, Journal of Non-Crystalline Solids, Vol. 348, pp. 218-224, 2004.
2. Liu, D. M., “Sol-gel Hydroxyapatite Coatings on Stainless Steel Substrates”, Biomaterials, Vol. 23, pp. 691-698, 2002.
3. Tracana, R. B., “Mouse Inflammatory Response to Stainless Steel Corrosion Products”, Journal of Materials Science, Vol. 5, pp. 596-600, 1994.
4. Tracana, R. B., “Stainless Steel Corrosion Products Cause Alterations on Mouse Spleen Cellular Populations”, Journal of Materials Science, Vol. 6, pp. 56-61, 1995.
5. Jokar, M., “Corrosion and Bioactivity Evaluation of Nanocomposite PCL-Forsterite Coating Applied on 316L Stainless Steel”, Surface and Coatings Technology, Vol. 307, pp. 324-331, 2016.
6. Zhang, D., “Superhydrophobic Surfaces for Corrosion Protection: A Review of Recent Progresses and Future Directions”, Journal of Coatings Technology & Research, Vol. 13, pp. 11-29, 2016.
7. Rao, A. V., “Mechanically Stable and Corrosion Resistant Superhydrophobic Sol-gel Coatings on Copper Substrate”, Applied Surface Science, Vol. 257, pp. 5772-5776, 2011.
8. Hu, S., “Surface Modification of Poly (Dimethylsiloxane) Microfluidic Devices by Ultraviolet Polymer Grafting”, Analytical Chemistry, Vol. 74, pp. 4117-4123, 2002.
9. Burnside, S. D., “Synthesis and Properties of New Poly (Dimethylsiloxane) Nanocomposites”, Chemistry of Materials, Vol. 7, pp. 1597-1600, 1995.
10. Dang-Vu, T., “Impact of Roughness on Hydrophobicity of Particles Measured by the Washburn Method”, Physicochemical Problems of Mineral Processing, Vol. 40, pp. 45-52, 2006.
11. Tang, H., “Influence of Silicone Surface Roughness and Hydrophobicity on Adhesion and Colonization of Staphylococcus Epidermidis”, Journal of Biomedical Materials Research, Vol. 88A, pp. 454-463, 2009.
12. Daoud, W. A., “Superhydrophobic Silica Nanocomposite Coating by a Low-temperature Process”, Journal of the American Ceramic Society, Vol. 87, pp. 1782-1784, 2004.
13. Wu, L. K., “Corrosion Protection of Mild Steel by One-step Electrodeposition of Superhydrophobic Silica Film”, Corrosion Science, Vol. 85, pp. 482-487, 2014.
14. Rao, A. V., “Water Repellent Porous Silica Films by Sol-gel Dip Coating Method”, Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 352, pp. 30-35, 2010.
15. Basu, B. J., “Surface Studies on Superhydrophobic and Oleophobic Polydimethylsiloxane-Silica Nanocomposite Coating System”, Applied Surface Science, Vol. 261, pp. 807-814, 2012.
16. Atik, M., “Protection of 316L Stainless Steel Against Corrosion by SiO2 Coatings”, Journal of Materials Science Letters, Vol. 13, pp. 1081-1085, 1994.
17. Ren, G., “Characterisation of Copper Oxide Nanoparticles for Antimicrobial Applications”, International Journal of Antimicrobial Agents, Vol. 33, pp. 587-590, 2009.
18. Cava, R. J., “Structural Chemistry and the Local Charge Picture of Copper Oxide Superconductors”, Science, Vol. 247, pp. 656-661, 1990.
19. Sonia, S., “Effect Of NaOH Concentration on Structural, Surface and Antibacterial Activity of CuO Nanorods Synthesized by Direct Sonochemical Method”, Superlattices and Microstructures, Vol. 66, pp. 1-9, 2014.
20. Burnside, S. D., “Synthesis and Properties of New Poly (Dimethylsiloxane) Nanocomposites”, Chemistry of Materials, Vol. 7, pp. 1597-1600, 1995.
21. Liu, X., “Super-hydrophobic Property of Nano-sized Cupric Oxide Films”, Surface and Coatings Technology, Vol. 204, pp. 3200-3204, 2010.
22. Zare, T., “Study of Nanoparticles Aggregation/Agglomeration in Polymer Particulate Nanocomposites by Mechanical Properties”, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Vol. 84, pp. 158-164, 2016.
23. Chakradhar, R. P. S., “Fabrication of Superhydrophobic Surfaces Based on ZnO-PDMS Nanocomposite Coatings and Study of Its Wetting Behavior”, Applied Surface Science, Vol. 257, pp. 8569-8575, 2011.
24. Kapridaki, C., “TiO2-SiO2-PDMS Nano-composite Hydrophobic Coating With Self-cleaning Properties for Marble Protection”, Progress in Organic Coatings, Vol. 76, pp. 400-410, 2013.
25. Zhou, K., “Synthesis, Characterization and Catalytic Properties of CuO Nanocrystals with Various Shapes”, Nanotechnology, Vol. 17, pp. 3939-3943, 2006.
مواد پیشرفته در مهندسی
دوره 37، شماره 3
آذر 1397
صفحه 1-12

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار

ارتقاء امنیت وب با وف ایرانی