Zirconium oxide conversion coating and biobased organic coatings for aluminum protection

During the past century the way humans relate to the environment has undergone important changes, and currently it is a global consensus that our well-being should not be achieved at the expense of enlarging our footprint in the planet. The metal finishing industry is no exception to this trend. Because of that, there is the urgency to replace surface treatments such as chromate conversion coatings (CCC) or phosphating moving towards more sustainable technologies; as well as reducing the use of petroleum derivatives in the formulation of raw materials for the coatings and adhesives industries. A promising substitute for CCC are the zirconium conversion coatings (ZrCC), which have been under continuous development for nearly 30 years as a powerful tool for metal passivation with lower environmental impact. In this work, the electro-assisted deposition (EAD) technique was used to improve the ZrCCs deposition properties on aluminum substrates by stimulating electrochemically the coating formation, in a process that would typically be carried out relying exclusively in surface spontaneous reactions. On the other hand, this necessity of covering such passivation layer with organic coatings that act as long-term barrier protection against corrosion is another usual industrial process. Nevertheless, the constant generation of plastic waste has led to the need to search for sustainable, bio-degradable and/or recyclable polymers for replacing the essentially synthetic ones. In this way, the present thesis reports the production, characterization and application of thermoset epoxy polymers containing a bio-based epoxy prepolymer derived from limonene (PLCO) and industrial hardeners. For that, these results were compared to those of the traditional epoxy prepolymer diglycidyl ether of bisphenol A (DGEBA). The results indicate that PLCO has some enhanced properties in comparison to the synthetic epoxy polymer due to its chemical structure (a polymer with cyclic limonene units, carbonate groups and oxyrane) and its optimal molecular weight. The ZrCC layer is stable and adherent. Once combined with the epoxy derived from limonene it originates a dual layer with protective properties against the corrosion of aluminum, whilst the thermoset polymer could be used as a solventbased adhesive for this same substrate. Therefore, this work approaches both environmental aspects of those new coatings and a complete characterization of all of the studied systems.Ao longo do último século, a maneira como a humanidade se relaciona com o meio ambiente passou por mudanças importantes e, atualmente, é um consenso global que o nosso bem-estar não deve ser atingido ao custo aumentar o impacto negativo que exercemos no planeta. A indústria metalúrgica não é uma exceção a esta tendência. Portanto, é necessária a substituição de tratamentos de superfície, como cromatização (CCC) e fosfatação, por tecnologias mais sustentáveis; da mesma maneira, é necessário reduzir o uso de derivados do petróleo na formulação de matéria-prima para a indústria de pinturas e adesivos. Um substituto promissor para a CCC são os revestimentos de conversão à base de óxido de zircônio (ZrCC), que passam por contínuo desenvolvimento há cerca de três décadas para constituir uma alternativa de menor impacto ambiental para a passivação de metais. Neste trabalho, a técnica de deposição eletroassistida (EAD) foi empregada para melhorar as propriedades de deposição dos ZrCC em substratos de alumínio, estimulando a sua formação por meio eletroquímico, em um processo que convencionalmente é realizado dependendo exclusivamente de reações superficiais espontâneas. Por outro lado, a proteção de longa duração por barreira contra a corrosão de tais superfícies passivadas usando revestimentos orgânicos é um procedimento habitual. No entanto, a constante geração de resíduos poliméricos motiva a busca por polímeros sustentáveis, biodegradáveis e/ou recicláveis para a substituição de materiais essencialmente sintéticos. Assim sendo, a presente tese apresenta a produção, caracterização e aplicação de polímeros epóxi termorrígidos contento um pré-polímero epóxi de origem natural derivado do limoneno (PLCO) e endurecedores comerciais. Tais propriedades foram comparadas àquelas de uma formulação convencional, contendo diglicidil éter de bisfenol A (DGEBA) como o pré-polímero epóxi. Os resultados indicam que o PLCO apresenta vantagens em relação à resina sintética devido à sua estrutura química (um polímero com unidades cíclicas de limoneno, grupos carbonato e epóxi) e à sua massa molecular. A passivação com ZrCC mostrou-se estável e aderente e, uma vez combinada com a epóxi derivada do limoneno, dá origem a um sistema de revestimento de duas camadas com boas propriedades de proteção contra a corrosão do alumínio. Além disso, o polímero estudado poderia encontrar aplicações como adesivo de base solvente para o mesmo substrato. Portanto, o presente trabalho aborda tanto aspectos ambientais dos revestimentos estudados quanto uma caracterização completa de todos os revestimentos estudados

Computational image analysis as an alternative tool for the evaluation of corrosion in salt spray test

The current standards for evaluating corrosion during salt spray tests rely on the visual analysis of the specimens, and this may be a limitation when higher resolution quantitative outputs are desired. In this work, computational image analysis was used to measure the area affected by corrosion during salt spray tests with aluminum alloy, copper, carbon steel and galvanized steel plates. The software ImageJ was used to select and measure the corroded areas differentiating the corrosion products from the metals uncorroded surfaces according to their different colors. With ten measurements for each selected exposure time, a 95 % confidence interval was calculated for each material and time of exposure, giving an indication of the precision of the estimated corroded area. These data were compared with a visual inspection carried out by an experienced technician. The results indicate that computational image analysis may be a powerful tool to obtain higher resolution in the results interpretation in comparison with the standard visual analysis

Deposição eletroassistida de organossilanos como pré-tratamento para a pintura de substratos metálicos

A aplicação de revestimentos orgânicos sobre o alumínio e suas ligas é dificultada pela inércia química da camada natural de óxido de alumínio presente na superfície, portanto há a necessidade do uso de pré-tratamentos de superfície para possibilitar a pintura bem-sucedida. Dentre os pré-tratamentos para a pintura do alumínio o mais utilizado é a cromatização hexavalente, de uso restrito em virtude do potencial nocivo do íon Cr+6. Neste contexto, os filmes de organossilanos são uma alternativa razoável para o pré-tratamento do alumínio, porém a técnica convencional de obtenção de filmes por imersão em sol-gel pode conduzir a camadas heterogêneas. O objetivo deste trabalho é avaliar o uso da técnica de deposição eletroassistida de organossilanos como pré-tratamento para a pintura de substratos metálicos comparando-a com a técnica de imersão e a cromatização hexavalente. Esta técnica deve favorecer a ocorrência das reações de condensação dos organossilanos na superfície do metal a partir da hidrólise do meio sol-gel Foram revestidos substratos de aço carbono AISI 1006 e alumínio comercialmente puro AA 1100 com os organossilanos ortossilicato de tetraetila (TEOS) e viniltrietoxissilano (VTES) em diferentes sobrepotenciais de deposição. Após estes pré-tratamentos foram aplicados revestimentos orgânicos comerciais à base de resinas acrílica, alquídica e poliuretânica. A comparação entre os pré-tratamentos foi realizada através dos seguintes ensaios: corrosão acelerada em câmara úmida e névoa salina, medidas de aderência de tinta, MEV, EDS, flexão em mandril cônico, resistência ao impacto, espectroscopia de impedância eletroquímica e polarização potenciodinâmica. Os resultados observados indicam que a técnica de deposição eletroassistida em sobrepotenciais catódicos pode promover a formação de filmes mais homogêneos que propiciam maior aderência de tinta, porém não houve acréscimo na proteção contra a corrosão a partir do uso dos pré-tratamentos à base de organossilanos.The painting of aluminum and its alloys is hampered by the chemical inertness of the natural aluminum oxide layer present on its surface, therefore the use of surface pretreatments is necessary to allow the successful painting. Among the aluminum pretreatments, the most used is the hexavalent chromate conversion coating, which use is restricted because of the harmful potential of the Cr+6 ions. In this context, organosilane coatings are a reasonable alternative for aluminum pretreatment, but the conventional technique for obtaining organosilane coatings by immersion in sol-gel may lead to non-homogeneous films. The aim of this work is to assess the use of the electro-assisted deposition of organosilanes technique as a pretreatment for painting metallic substrates comparing it with the immersion technique and chromate conversion coatings. It is expected that this technique will favor the condensation reactions by promoting the sol-gel hydrolysis. AISI 1006 steel and AA 1100 aluminum substrates were coated with tetraethylorthosilicate (TEOS) and vinyltriethoxysilane (VTES) in different deposition potentials After these pretreatments commercial organic coatings based on acrylic, alkyd and polyurethane resins were applied on the samples. The comparison of the pretreatments was performed through the following tests: water resistance in 100% relative humidity, salt spray, paint adherence measurement, SEM, EDS, conical mandrel bending, impact resistance, electrochemical impedance spectroscopy and potentiodynamic polarization. The results indicate that the electro-assisted deposition on cathodic potentials may promote the formation of more homogeneous films which provide greater paint adherence, but no improvement of corrosion protection was observed with the use of organosilane pretreatments

Deposição eletroassistida de organossilanos como pré-tratamento para a pintura de substratos metálicos

A aplicação de revestimentos orgânicos sobre o alumínio e suas ligas é dificultada pela inércia química da camada natural de óxido de alumínio presente na superfície, portanto há a necessidade do uso de pré-tratamentos de superfície para possibilitar a pintura bem-sucedida. Dentre os pré-tratamentos para a pintura do alumínio o mais utilizado é a cromatização hexavalente, de uso restrito em virtude do potencial nocivo do íon Cr+6. Neste contexto, os filmes de organossilanos são uma alternativa razoável para o pré-tratamento do alumínio, porém a técnica convencional de obtenção de filmes por imersão em sol-gel pode conduzir a camadas heterogêneas. O objetivo deste trabalho é avaliar o uso da técnica de deposição eletroassistida de organossilanos como pré-tratamento para a pintura de substratos metálicos comparando-a com a técnica de imersão e a cromatização hexavalente. Esta técnica deve favorecer a ocorrência das reações de condensação dos organossilanos na superfície do metal a partir da hidrólise do meio sol-gel Foram revestidos substratos de aço carbono AISI 1006 e alumínio comercialmente puro AA 1100 com os organossilanos ortossilicato de tetraetila (TEOS) e viniltrietoxissilano (VTES) em diferentes sobrepotenciais de deposição. Após estes pré-tratamentos foram aplicados revestimentos orgânicos comerciais à base de resinas acrílica, alquídica e poliuretânica. A comparação entre os pré-tratamentos foi realizada através dos seguintes ensaios: corrosão acelerada em câmara úmida e névoa salina, medidas de aderência de tinta, MEV, EDS, flexão em mandril cônico, resistência ao impacto, espectroscopia de impedância eletroquímica e polarização potenciodinâmica. Os resultados observados indicam que a técnica de deposição eletroassistida em sobrepotenciais catódicos pode promover a formação de filmes mais homogêneos que propiciam maior aderência de tinta, porém não houve acréscimo na proteção contra a corrosão a partir do uso dos pré-tratamentos à base de organossilanos.The painting of aluminum and its alloys is hampered by the chemical inertness of the natural aluminum oxide layer present on its surface, therefore the use of surface pretreatments is necessary to allow the successful painting. Among the aluminum pretreatments, the most used is the hexavalent chromate conversion coating, which use is restricted because of the harmful potential of the Cr+6 ions. In this context, organosilane coatings are a reasonable alternative for aluminum pretreatment, but the conventional technique for obtaining organosilane coatings by immersion in sol-gel may lead to non-homogeneous films. The aim of this work is to assess the use of the electro-assisted deposition of organosilanes technique as a pretreatment for painting metallic substrates comparing it with the immersion technique and chromate conversion coatings. It is expected that this technique will favor the condensation reactions by promoting the sol-gel hydrolysis. AISI 1006 steel and AA 1100 aluminum substrates were coated with tetraethylorthosilicate (TEOS) and vinyltriethoxysilane (VTES) in different deposition potentials After these pretreatments commercial organic coatings based on acrylic, alkyd and polyurethane resins were applied on the samples. The comparison of the pretreatments was performed through the following tests: water resistance in 100% relative humidity, salt spray, paint adherence measurement, SEM, EDS, conical mandrel bending, impact resistance, electrochemical impedance spectroscopy and potentiodynamic polarization. The results indicate that the electro-assisted deposition on cathodic potentials may promote the formation of more homogeneous films which provide greater paint adherence, but no improvement of corrosion protection was observed with the use of organosilane pretreatments

Avaliação de revestimento orgânico sobre aço galvanizado de diferentes tamanhos de grão

Este trabalho tem o objetivo de avaliar as diferenças no desempenho de sistemas duplex utilizando aços galvanizados de dois tamanhos de grão diferentes e de verificar a possibilidade de atenuar eventuais diferenças de comportamento com a aplicação de pré-tratamentos de superfície ao aço galvanizado antes do processo de pintura. Foram preparadas amostras de aço galvanizado de grão grosseiro e de grão refinado passando pelos seguintes tratamentos superficiais: desengraxe + pintura, desengraxe + fosfatização + pintura e desengraxe + nanocerâmico + pintura. Tais amostras foram avaliadas através de ensaios de medida de espessura da película seca, flexão com mandril cônico, impacto, aderência de tinta, espectroscopia de impedância eletroquímica, polarização potenciostática e corrosão acelerada em névoa salina. Nas amostras desengraxadas foi verificada melhor aderência do revestimento orgânico ao aço galvanizado de grão refinado, diferença eliminada pela fosfatização e pelo nanocerâmico. Foi também observado que o aço galvanizado de grão grosseiro apresentou melhores resultados que o de grão refinado em todos os ensaios que avaliaram a proteção contra a corrosão. Deste modo, cogitou-se a possibilidade de o aço galvanizado de grão grosseiro possuir algum outro pré-tratamento de superfície que aumente a sua proteção contra a corrosão. Sabe-se que um tratamento de superfície eficiente para fornecer maior proteção contra a corrosão ao aço galvanizado é a cromatização. Em ataque com ácido sulfúrico na presença de difenilcarbazida foi confirmada a presença de cromo na superfície do aço galvanizado de grão grosseiro, evidência da cromatização. Presença esta que não se repete no aço galvanizado de grão refinado, o que explica a diferença de desempenho entre ambos os aços galvanizados estudados

Comparação entre fibras naturais em substituição à fibra de vidro em compósitos a base de resina poliéster

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Pretreatment for painting aluminum by electro-assisted deposition of vinyltriethoxysilane (VTES)

A técnica de deposição eletroassistida pode conduzir à formação de filmes de organossilanos mais contínuos pelo método de sol-gel. A técnica baseia-se na promoção da eletrólise da água para aumentar o pH na região catódica, o que acelera as reações de condensação do precursor organossilano no cátodo e resulta em filmes reticulados que cobrem o substrato mais homogeneamente em comparação à técnica de imersão simples. Neste estudo utilizou-se viniltrietoxissilano (VTES) como precursor no método de sol-gel para a produção de revestimentos pela técnica de deposição eletroassistida como pré-tratamento para a pintura de alumínio com verniz poliuretânico. Tais revestimentos foram comparados à cromatização e à técnica de imersão simples por ensaio de corrosão acelerada em névoa salina e medida de aderência de revestimento orgânico e foram caracterizados morfologicamente por MEV e EDS. Os resultados indicam que a deposição eletroassistida promove a formação de filmes protetores mais homogêneos e propicia o aumento da aderência do verniz utilizado.The electro-assisted deposition technique may lead to more continuous silane films by the sol-gel method. This technique is based on promoting water electrolysis to increase the pH on the cathodic region, which accelerates the silane condensation reactions on the cathode and results in crosslinked films that cover the substrate more homogeneously in comparison to the dip-coating technique. In this study, vinyltriethoxysilane (VTES) was used as a precursor in the sol-gel method for the production of coatings by electro-assisted deposition as a pretreatment for painting aluminum with polyurethane varnish. These coatings were compared to chromate and dip-coating pretreatments by salt spray test, paint adhesion measurement and were morphologically analyzed by SEM and EDS. The results indicate that the electro‑assisted deposition technique leads to the formation of more homogeneous protective films and improves the adherence of the tested varnish

Pretreatment for painting aluminum by electro-assisted deposition of vinyltriethoxysilane (VTES)

A técnica de deposição eletroassistida pode conduzir à formação de filmes de organossilanos mais contínuos pelo método de sol-gel. A técnica baseia-se na promoção da eletrólise da água para aumentar o pH na região catódica, o que acelera as reações de condensação do precursor organossilano no cátodo e resulta em filmes reticulados que cobrem o substrato mais homogeneamente em comparação à técnica de imersão simples. Neste estudo utilizou-se viniltrietoxissilano (VTES) como precursor no método de sol-gel para a produção de revestimentos pela técnica de deposição eletroassistida como pré-tratamento para a pintura de alumínio com verniz poliuretânico. Tais revestimentos foram comparados à cromatização e à técnica de imersão simples por ensaio de corrosão acelerada em névoa salina e medida de aderência de revestimento orgânico e foram caracterizados morfologicamente por MEV e EDS. Os resultados indicam que a deposição eletroassistida promove a formação de filmes protetores mais homogêneos e propicia o aumento da aderência do verniz utilizado.The electro-assisted deposition technique may lead to more continuous silane films by the sol-gel method. This technique is based on promoting water electrolysis to increase the pH on the cathodic region, which accelerates the silane condensation reactions on the cathode and results in crosslinked films that cover the substrate more homogeneously in comparison to the dip-coating technique. In this study, vinyltriethoxysilane (VTES) was used as a precursor in the sol-gel method for the production of coatings by electro-assisted deposition as a pretreatment for painting aluminum with polyurethane varnish. These coatings were compared to chromate and dip-coating pretreatments by salt spray test, paint adhesion measurement and were morphologically analyzed by SEM and EDS. The results indicate that the electro‑assisted deposition technique leads to the formation of more homogeneous protective films and improves the adherence of the tested varnish