بررسی رفتار مقاومت به خوردگی و ضدمیکروبی پوشش‌های کامپوزیتی پلی‌اتیلن-زئولیت نقره بر زیرلایه فولاد زنگ نزن 304

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، 8415683111، ایران

چکیده

امروزه با توجه به وجود گونه‌های مختلف میکروارگانیسم‌های باکتریایی و کاهش هزینه‌های مراقبت بهداشتی، استفاده از مواد ضدمیکروبی نیاز اجتناب‌ناپذیر برای جامعه بشری می‌باشد. نقره پرکاربردترین و مؤثرترین ماده ضدمیکروبی می‌باشد که امکان نفوذ به ساختار باکتری‌ها را دارد و باعث اختلال در سیستم زیستی آن‌ها می‌شود. در میان تمام روش‌های به‌کارگیری یون نقره، انتخاب زئولیت‌ها، مانند زئولیت طبیعی کلینوپتیلولیت با ساختار آلومینوسیلیکاتی هیدراته متبلور با تخلخل ریز و بسیار آب‌دوست به علت سازوکار رهایش یون بسیار موردتوجه قرارگرفته است. پلی‌اتیلن سنگین از جمله پلیمرهای مقاوم به خوردگی، عایق، با کیفیت و ارزان‌قیمت است که در ایران تولید می‌شود و به علت سمّی نبودن و مشکلات زیست‌محیطی کم و اعمال آسان بسیار مورد توجه قرارگرفته است. در این پژوهش، ابتدا یون نقره با مکانیزم تبادل یونی به درون شبکه متخلخل زئولیت وارد شده و سپس پوشش‌های کامپوزیتی پلی‌اتیلن با 0، 10 و 20 درصد وزنی زئولیت نقره روی فولاد زنگ نزن 304 به روش غوطه‌وری اعمال شد. سپس از آزمایش‌های پراش پرتو ایکس و تصویربرداری میکروسکوپی الکترونی روبشی برای مشخصه‌یابی پوشش‌ها استفاده شد. نتایج نشان داد با افزایش زئولیت نقره به پلی‌اتیلن زمینه پوشش‌ها همگن‌تر شده و ضخامت و مقاومت به خوردگی آن افزایش یافته است. پس از اعمال پوشش‌ها، رفتار خوردگی در محیط سدیم کلرید 5/3 درصد وزنی در زمان‌های مختلف 10، 24، 40، 70 و 100 روز به ‌وسیله‌ طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی موردمطالعه قرار گرفت. با توجه به نتایج طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی افزودن زئولیت نقره در پوشش‌های پلی‌اتیلنی تا 10 درصد وزنی باعث کاهش و با افزودن 20 درصد وزنی باعث افزایش مقاومت به خوردگی پوشش خراش‌دار شد. درنهایت با قرار دادن نمونه‌ها در محیط کشت باکتری‌های گرم منفی و گرم مثبت اشرشیا کلای و استافیلوکوکوس‌آرئوس، خواص ضدمیکروبی آن‌ها برای کاربردهای ضدباکتری سنجیده شد. نتایج آزمون هاله (چاهک پلیت) بیانگر بهبود خواص ضدمیکروبی در برابر باکتری استافیلوکوکوس نسبت به اشرشیا کلای با افزایش زئولیت نقره می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Investigating the Corrosion Resistance and Antimicrobial Behavior of Polyethylene-Silver Zeolite Composite Coatings on 304 Stainless Steel Substrate

نویسندگان [English]

  • S. Shirani
  • R. Emadi
  • A. Eslami
Department of Materials Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan 84156-83111, Iran
چکیده [English]

Today, due to the presence of various microbial species and the reduction in healthcare costs, the use of antimicrobial materials has become indispensable for human society. Silver is the most widely used and effective antimicrobial agent, capable of penetrating bacterial structures and disrupting their biological systems. Among all methods of employing silver ions, the selection of zeolites, such as natural clinoptilolite with a crystalline aluminosilicate structure, hydrated, finely porous, and highly water-absorbent due to the ion release mechanism, has garnered significant attention. Heavy polyethylene is one of the corrosion-resistant polymers produced in Iran, offering insulation, quality, and cost-effectiveness. Due to its non-toxic nature and minimal environmental concerns, it has gained considerable attention. This research introduced silver ions into the porous zeolite network through an ion exchange mechanism. Subsequently, composite polyethylene coatings containing 0%, 10%, and 20% by weight of silver zeolite were applied on the 304 AISI stainless steel substrate using dip coating method. The coatings were then characterized through X-ray diffraction and scanning electron microscopy . The results indicated that with an increase in silver zeolite content within the polyethylene matrix, the coatings became more homogeneous, thicker, and corrosion-resistant. After applying the coatings, their corrosion behavior in a 3.5% wt.% NaCl environment was studied during 10, 24, 40, 70, and 100 days using electrochemical impedance spectroscopy. According to the results of electrochemical impedance spectroscopy, adding silver zeolite to polyethylene coatings up to 10 wt.% reduced corrosion resistance, while adding 20 wt.% increased corrosion resistance in the scratch-resistant coatings. Finally, by exposing the samples to a bacterial environment containing gram-negative (Escherichia coli) and gram-positive (Staphylococcus aureus) bacteria, their antimicrobial properties were evaluated for potential antibacterial applications. The results from the halo and colony count tests suggested an improvement in antimicrobial efficacy against Staphylococcus aureus compared to Escherichia coli with increasing content of silver zeolite.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Coating
  • Composite
  • Polyethylene
  • Zeolite
  • Silver ion
  • Stainless steel
  • Electrochemical impedance
  • Antimicrobial

مراجع

  1. Morones JR, Elechiguerra JL, Camacho A, Holt K, Kouri JB, Ramírez JT, et al. The bactericidal effect of silver nanoparticles. Nanotechnology. 2005; 16(10): 2346. https://doi.org/10.1088/0957-4484/16/10/059
  2. Akgül M, Karabakan A, Acar O, Yürüm Y. Removal of silver (I) from aqueous solutions with clinoptilolite. Microporous Mesoporous Mater. 2006; 94(1–3):99–104. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2006.02.023
  3. Naghizadeh Baghi S. Fabrication of antibacterial silver-containing nanocomposite for use in refrigerator body materials. Ministry of Science, Research, and Technology - Faculty of Materials Engineering, Tarbiat Modares University; 2009. (In Persian)
  4. Kazemian H. Introduction to Zeolites: The Mysterious Minerals. Behesht Publications; 2004. (In Persian)
  5. Michalik A. Conductive Polymers for Corrosion Protection: Acritical Investigation. Ph. D Thesis, Ruhr-Bochum-University. 2009.
  6. Jia Z, Liu Y, Wang Y, Gong Y, Jin P, Suo X, et al. Surface & Coatings Technology Flame spray fabrication of polyethylene-Cu composite coatings with enwrapped structures : A new route for constructing antifouling layers. Surf Coat Technol. 2016;309:872-879. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat. 2016.10.071
  7. Ghiyour H. High-density polyethylene (HDPE) coating produced by electrostatic spraying on plain carbon steel. Faculty of Materials Engineering, Isfahan University of Technology; 1997. (In Persian)
  8. Iqbal N, iqbal S, iqbal T, bakhsheshi-rad HR, alsakkaf A, kamil A, et al. Zinc-doped hydroxyapatite zeolite/polycaprolactone composites coating on magnesium substrate for enhancing in-vitro corrosion and antibacterial performance. Trans Nonferrous Met Soc China. 2020;30(1):123–33. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(19)65185-X
  9. Salim MM, Ahmad N, Nik N. Characterization and antibacterial activity of silver exchanged regenerated NaY zeolite from surfactant-modi fi ed NaY zeolite. Mater Sci Eng C. 2016;59:70–7. https://doi.org/10. 1016/j.msec.2015.09.099
  10. Shekarani R. Application of natural zeolite activated with hydrochloric acid in the synthesis of Cu/Clinoptilolite-CeO2 nanocatalyst for oxidation of volatile organic compounds in polluted air at low temperatures. 2013; 5:1-10. (In Persian)
  11. Cerrillo JL, Palomares AE, and Rey F. Silver exchanged zeolites as bactericidal additives in polymeric materials. pre proof. 2018;305:110367. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2020.110367
  12. Xu X, Ding H, Wang BK. Preparation and Performance of Ag+-Zn2+-Zeolite Antimicrobial and Antibacterial Plastic. Adv Mater Res. 2010;96:151–4. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.96.151
  13. Rivera-Garza M, Olguın MT, Garcıa-Sosa I, Alcántara D, Rodrıguez-Fuentes G. Silver supported on natural Mexican zeolite as an antibacterial material. Microporous mesoporous Mater. 2000;39(3): 431–44. https://doi.org/10.1016/S1387-1811(00)00217-1
  14. deAraújo L, Pergher S, Anaya K. Synthesis of antimicrobial films based on low-density polyethylene (LDPE) and zeolite a containing silver. Coatings. 2019;9(12). https://doi.org/10.3390/coatings9120786
  15. Abdi A. Investigation of the antibacterial properties of silver nanoparticles and polyethylene-silver nanocomposites. 2015; 6:159-168. (In Persian)
  16. Chellappa M, Vijayalakshmi U. Electrophoretic deposition of silica and its composite coatings on Ti-6Al-4V, and its in vitro corrosion behaviour for biomedical applications. Mater Sci Eng C. 2017;71: 879–90. https://doi.org/10.1016/j.msec.2016.10.075
  17. Sondi I, Salopek-Sondi B. Silver nanoparticles as antimicrobial agent: a case study on E. coli as a model for Gram-negative bacteria. J Colloid Interface 2004;275(1):177–82. https://doi.org/10.1016/j.jcis. 2004.02.012
  18. Puetz J, Aegerter MA. Dip Coating Technique. In: Sol-Gel Technologies for Glass Producers and Users. Boston, MA: Springer US. 2004:37–48.
  19. Matin E, Attar MM, Ramezanzadeh B. Investigation of corrosion protection properties of an epoxy nanocomposite loaded with polysiloxane surface modified nanosilica particles on the steel substrate. Prog Org Coatings. 2015;78:395–403. https://doi.org/ 10.1016/j.porgcoat.2014.07.004
  20. Singh SK, Tambe SP, Gunasekaran G, Raja VS, Kumar D. Electrochemical impedance study of thermally sprayable polyethylene coatings. Corros Sci. 2009;51(3):595–601. https://doi.org/10.1016/j. corsci.2008.11.025

 

 

 

مواد پیشرفته در مهندسی
دوره 43، شماره 3
مهر 1403
صفحه 85-97

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار

تحت نظارت وف ایرانی