MEMORIAS DEL XVIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM19 al 21 DE SEPTIEMBRE, 2012 SALAMANCA, GUANAJUATO, MXICO

OBTENCIN DE RECUBRIMIENTOS ANTICORROSIVOS TIPO ORMOSILCarmen Salazar-Hernndez1 Higinio Jurez 1, Francisco Villegas 1, Mercedes Salazar-Hernndez 2, Enrique

Elorza 2

1Instituto Politcnico Nacional, Academia de Materiales y Termofluidos

Unidad Profesional Interdisciplinaria de Ingenieras Campus Guanajuato.

C.P. 36275, Av. Mineral de Valenciana No. 200 Col. Fracc. Industrial Puerto Interior, Silao de la Victoria, Guanajuato, Mxico.

Tel.: +52-555-7296000 Ext. 81377, Fax: +52-555-7296000-81450,

2Universidad de Guanajuato, Departamento en Ingeniera en Minas, Metalurgia y Geologa.

C.P.36020, Ex Hacienda de San Matas S/N Colonia San Javier, Guanajuato,Gto. Mxico.

Tel.: +52-473-7322291/7323864.

msalazarh@ipn.mx, hijuarez@ipn.mx, jvillegasa@ipn.mx, merce@ugto.mx, erelorza@ugto.mx

RESUMEN

Las aleaciones ferrosas empleadas en las di-ferentes ramas de la industria son qumicamentelbiles a oxidarse dando lugar a la corrosindel material, hoy en da se cuenta con variosmtodos para evitar la corrosin, uno de ellosson los recubrimientos anticorrosivos. En estainvestigacin se emple la metodologa sol-gelpara obtener diferentes recubrimientos cermicostipo ORMOSIL cuya composicin base fueel TEOS y diferentes porcentajes en peso dePDMS-12. Un catalizador de policondensacinneutro, DBTL fue utilizado en la sntesis deestos materiales. La caracterizacin qumicapor espectroscopa de IR-TF y RMN 29Si MASindicaron el entrecruzamiento entre el polmero yel esqueleto inorgnico de la SiO2 formada porel TEOS en todos los ORMOSILes sintetizados.El anlisis de las curvas de esfuerzo-deformacinpara los ORMOSILes obtenidas del ensayo decompresin uniaxial indic un incremento en elporcentaje de deformacin de acuerdo con el in-cremento de polmero en la formulacin. Por otrolado, la dureza del ORMOSIL increment con laconcentracin del PDMS-12, lo cual sugiere laformacin de estructuras compactas, lo cul secorrobor con la determinacin de la porosidadmediante las isotermas de adsorcin-desorcin deN2. Las diferentes formulaciones de ORMOSILse aplicaron en probetas de acero laminadoA-1010. La caracterizacin mecnica de estas

probetas indic incrementos del 7 al 80% enla dureza Leeb de acuerdo con el incrementodel porcentaje en peso de PDMS-12 en losrecubrimientos tipo ORMOSIL. AFM mostrla formacin de recubrimientos homogneossobre la superficie del metal con un espesorpromedio de 2m. Estos recubrimiento evitaronpor complet la oxidacin del Fe a Fe2+ en losensayos de corrosin electroqumica.

ABSTRACT

Organically modified silane (ORMOSIL)was investigated as anticorrosive coatings onsteel alloy. The composition of the ORMOSILswas tetraetilortosilicate (TEOS) and differentamounts of polidimetildisiloxane (PDMS-12),using n-dibutil-dilaurate Tin (DBTL) as a neutralpolycondensation catalyst. FTIR spectroscopyand RMN 29Si MAS indicated that DBTL leadsto the crosslinking between the organic fragmentand the silica fragment formed to TEOS. Also,an increase on the elasticity and hardness of theORMOSILs were observed according to increasethe polymer on the material. On the other hand,the ORMOSILs coating improve the hardnessof the alloy. AFM showed the formation ofhomogeneous coating whit 2 m of thicknesson metal. The electrochemical corrosion testindicated an effective corrosion protection for theORMOSIL coatings.

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MEMORIAS DEL XVIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM19 al 21 DE SEPTIEMBRE, 2012 SALAMANCA, GUANAJUATO, MXICO

NomenclaturaA1010 Acero laminado

AFM Microscopa de fuerza atmica

DBT L Dibutildilaurato de estao

DMS12 Polidimetildisiloxano

IRT F Espectoscopa de infrarrojo con trans-formada de Fourier

LH Dureza Leeb

ORMOSIL Silano orgnicamente modificado

RMN29SiMAS Resonancia magntica nuclear de29Si con ngulo mgico

T EOS Tetraetil Ortosilicato

Rec-1a Recubrimiento tipo OSMOSIL con el20% en peso de PDMS-12

Rec-1b Recubrimiento tipo OSMOSIL con el40% en peso de PDMS-12

Rec-1c Recubrimiento tipo OSMOSIL con el60% en peso de PDMS-12

INTRODUCCIN.

El proceso SolGel es un procedimientoque permite la obtencin de diferentes materialescon gran inters industrial como lo son loscermicos, fibras, vidrios, superficies porosas,deposicin de pelculas de xido delgado [1-2].Esta metodologa se basa en la evolucin deun sistema coloidal a travs de la formacin deun Sol inorgnico seguido por su gelificacinformando una red de polmero continua, llamadoGel (Figura 1).

Figura 1: (a) Reacciones Sol-Gel; (b) Etapas delproceso Sol-Gel.

Los precursores comnmente empleadospara la formacin de las soluciones Sol en esta

metodologa son los alcxidos de metales, loscuales sufren las reacciones de hidrlisis y con-densacin, reacciones Sol-Gel que se muestranen la Figura 1(a). Estas reacciones conducen ala formacin del sistema coloidal o disolucinSol que con el tiempo forma una red de slidoconocido como Gel (Figura 1(b)). Las reaccionesSol-Gel son mediadas por un catalizador quepuede ser un cido mineral (HCl, HNO3, H2SO4)o bien una base (NaOH, KOH, NH3) y con pocafrecuencia se emplean compuestos organomet-licos de estao como el di-n-butil-dilaurato deestao, DBTL [3-5]. El DBTL es un catalizadorde policondensacin que se ha empleado enlos proceso de vulcanizacin de siliconas y enla polimerizacin de TEOS en formulacionesempleadas para la consolidacin de piedra dentrodel rea de la conservacin arquitectnica demonumentos [6,7]. Es poca la informacin queexiste sobre este catalizador con respecto a suuso en la sntesis de materiales va Sol-Gel, sinembargo se ha propuesto que el mecanismo depolimerizacin del TEOS con este catalizadores muy similar al observado cuando se utilizaun catalizador alcalino pero llevando a cabo lagelificacin del alcxido a condiciones de pHneutro [3,8].

Como se observa en la Figura 1(b) una de lasaplicaciones del mtodo Sol-Gel es la formacinde recubrimientos tipo cermicos. Hoy en daeste tipo de recubrimientos han resultado ser unametodologa barata y eficiente para la proteccinde diferentes superficies metlicas ante agentescorrosivos [9-12]. Este tipo de recubrimientos seobtienen al aplicar en la superficie metlica unadisolucin Sol que deposita partculas coloidalessobre el sustrato metlico y a travs del secadoy tratamientos trmicos (sinterizacin de laspartculas) se promueve la interaccin entre losgrupos alcxidos (M(OR)n) del precursor sol-gelmetlico con los grupos -OH presentes en lasuperficie del metal; interacciones que puedenser de dos tipos: electrosttica y fuerte, o bienpuede llegar a formarse un enlace qumico entreel sustrato y el Gel por medio de reacciones decondensacin (Figura 2) [13].

Una de las principales ventajas de los recu-brimientos tipo cermicos ha sido la estabilidadqumica que estos recubrimientos presentan antediferentes agentes corrosivos. Sin embargo, su

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Figura 2: Interacciones que ocurren entre sustra-tos metlicos y recubrimientos depositados por elmtodo Sol-Gel.

principal desventaja es la formacin de fracturasen el recubrimiento durante la etapa de secado[14]. Para evitar las fracturas se ha propuestola adicin de fragmentos orgnicos como elpolidimetildisiloxano (PDMS) [15-17]. La adi-cin del PDMS ha permitido obtener materialescermico-orgnicos (ORMOSIL) con elasticidadsimilar a la de una goma [18-20].

En base a lo anterior, en este proyecto sepropone la obtencin recubrimientos anticorro-sivos tipo ORMOSILs empleando DBTL comocatalizador Sol-Gel. Todos los recubrimientosfueron aplicados en sustratos de acero laminadoA-1010, la caracterizacin qumica de los recu-brimientos se realiz por espectroscopa IR-TF,adems se evalu los cambios de dureza en losrecubrimientos y la resistencia a la corrosinelectroqumica.

DESARROLLO EXPERIMENTAL

Sntesis de ORMOSIL

La Tabla 1 indica las cantidades de reac-tivos empleados para la preparacin de lassoluciones Sol en los diferentes OROMOSILsestudiados. La sntesis consisti en primer pasode prehidrlisis del TEOS (99%, Fluka) atemperatura ambiente por 24 hrs.; empleandoDBTL (grado reactivo Gelest) como catalizadory una relacin molar de TEOS:H2O de 1:4, paraposteriormente adicionar el PDMS-12 (Gelest)de acuerdo con la Tabla 1. La mezcla de TEOShidrolizado/PDMS-12/catalizador se dej agitan-do por 2 hrs. antes de aplicarlo sobre el sustratometlico. Adems, se obtuvieron los geles deORMOSIL en probetas cilndricas de 1c m de

dimetro y 5 cm de largo.

Tabla 1: Composicin de diferentes recubrimien-tos tipo cermicos.

TEOS [gr] PDMS-12* [gr] Etanol [mL] DBTL [gr]Rec-1a ORMOSIL-20% PDMS-12 10 2 15 0.1Rec-1b ORMOSIL-40% PDMS-12 10 4 15 0.1Rec-1c ORMOSIL-60% PDMS-12 10 6 15 0.1

Aplicacin de ORMOSIL en A-1010

Los diferentes recubrimientos fueron aplicadossobre lminas de 2x8 cm de acero laminado A-1010, clasificacin del acero de acuerdo con lasespecificaciones del proveedor. Los recubrimien-tos se aplicaron sobre las dos caras del metal poraspersin y el secado de la disolucin se llev acabo a condiciones ambiente dejando las lminasinclinada a 45 por un periodo de 4 das.

Caracterizacin Qumica del Recubrimiento.

Espectroscopa de Infrarrojo. La caracteriza-cin qumica de los recubrimientos fue realizadapor espectroscopa de infrarrojo empleando la tc-nica de ATR (Atenuacin Total de la Reflectan-cia) con ventana de diamante, se utiliz un equipoPerkin Elmer Spectrum 100. Los espectros repor-tados fueron el promedio de 32 scans, con resolu-cin de 4 cm1 y empleando una ventana espec-