TU Darmstadt / ULB / tuprints

Investigation of Stabilizing Agents in Thin Sol-Gel Zirconium Oxide Anti-corrosion Coatings on Iron Materials

Ugas Carrión, Ruperto A. :
Investigation of Stabilizing Agents in Thin Sol-Gel Zirconium Oxide Anti-corrosion Coatings on Iron Materials.
TU Darmstadt / FB Material- und Geowissenschaften + FB Chemie
[Ph.D. Thesis], (2010)

[img]
Preview
Dissertation - PDF
Dissertation_Ruperto_Ugas.pdf
Available under Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives.

Download (3279Kb) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Investigation of Stabilizing Agents in Thin Sol-Gel Zirconium Oxide Anti-corrosion Coatings on Iron Materials
Language: English
Abstract:

Abstract Thin protective zirconium oxide coatings prepared via sol-gel with zirconium propoxide and acetyl acetone (acac) or hydroxypropyl cellulose as stabilizers have been successfully deposited onto iron substrates at low temperature. Electrochemical current density vs. potential scans showed a reduction of the iron dissolution current density and coating porosity in comparison to uncoated iron, with a strong decrease of these parameters around 5 orders of magnitude for a HPC concentration = 0.004 g/l. This result is expected as the steric effect of HPC. A mixed oxide layer of zirconium and iron was observed in SIMS depth profiles. The mixed oxide layer thickness showed a dependence on the acac molar ratio. Increases of acac shorted the overall film thickness, while the mixed oxide layer was thicker. ZrO2-HPC coatings displayed however, a thicker mixed oxide layer and additional increases of the zirconium intensity direct onto substrate surface. So a higher interdiffusion of zirconium into deeper layers and of iron towards coating surface was reached. XRD revealed that the mixed oxide layer is localized between the substrate and coating surface and possess crystalline structure. At a HPC concentration = 0.004 g/l no ZrO2 reflexes could be detected. ZrO2 crystals of 70 nm size were identified by TEM in ZrO2-acac coatings. However, ZrO2-HPC films showed an amorphous structure constituted of ZrO2 and iron oxide containing nanocrystalline zirconium oxide particles immersed in the mixed oxide layer. The crystals (monoclinic 112) size was between 5 and 10 nm. This result explains why there were not zirconium oxide reflexes visible in the XRD analysis. Obviously the ZrO2 crystalline particles are too small (less than 10 nm) to be detected by XRD so they appear as amorphous material [83]. The particles are immersed in a compact and amorphous mixed oxide matrix. The correlation between growth of the mixed oxide phase and decrease of dissolution current density suggests that it is the mixed oxide phase with zirconium nanoparticles that is responsible for the reduction of film porosity and the good corrosion protection properties of the films.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Zusammenfassung Dünne Zirkoniumoxidschutzschichten auf Basis von Zirkoniumpropoxid mit Acetylaceton (acac) und Hydroxypropylcellulose (HPC) als Stabilisatoren wurden erfolgreich durch Sol-Gel-Verfahren synthetisiert und auf Eisenwerkstoffen bei Raumtemperatur abgeschieden. Potenzialmessungen zeigten eine Erniedrigung der Stromdichte und der Porosität im Vergleich zu unbeschichtetem Eisen, wobei die ZrO2-HPC-Beschichtungen besonders starke Erniedrigungen um bis zum 5 Größenordnungen zeigten. Dies ist vermutlich ein Ergebnis des sterischen Effekts von HPC und wurde bei einer optimalen Konzentration von 0,004 g/l erreicht. In SIMS-Messungen wurde zusätzlich eine Oxidschicht bestehend aus ZrO2 und Eisenoxid festgestellt. Die Dicke dieser Oxidschicht weist eine Abhängigkeit von dem Molaranteil des Acetylacetons auf. Mit ansteigendem Anteil von acac wird die gesamte Schichtdicke dünner und die Oxidschicht dicker. SIMS-Messungen zeigten ZrO2-HPC-Schichten bei den dennoch eine dickere Oxidschicht und zusätzlich einen Anstieg der Zirkoniumintensitäten direkt auf der Substratoberfläche. Daher findet eine starke Interdiffusion von Zirkonium in tiefere Schichten und von Eisen in Richtung der Probenoberfläche statt. Die kristalline Oxidschicht liegt zwischen Substrat und Beschichtungsoberfläche, was durch die XRD-Messungen bestätig wurde. Bei einer Konzentration von HPC = 0,004 g/l konnte kein Reflex von kristallinem ZrO2 detektiert werden. ZrO2-Kristalle mit einer durchschnittlichen Größe von 70 nm wurden mittels TEM in ZrO2-acac-Schichten beobachtet. Allerdings zeigten die ZrO2-HPC-Schichten eine amorphe Oxidschichtstruktur aus Eisen und Zirkoniumoxid mit nanokristallinen ZrO2-Partikeln. Dies erklärt, warum keine ZrO2-Reflexe bei den XRD-Messungen detektiert wurden. Offensichtlich sind die ZrO2-Partikel keiner als 10 nm, sodass sie als amorphes Material beim XRD erscheinen. Die Partikel sind eingebettet in eine kompakte und amorphe Oxidmatrix. Die Zuordnung zwischen dem Wachstum der Oxidschichtphase und der Reduzierung der anodischen Stromdichte weist darauf hin, dass die Oxidschichtphase sowie die Nanopartikel für die Erniedrigung der Porosität und die guten Korrosionsschutzeigenschaften der dünnen Schichten verantwortlich sind.German
Uncontrolled Keywords: Stabilizing agents, sol-gel, corrosion, porosity, zirconium oxide, electrochemistry, thin films, nanocrystal
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Stabilizing agents, sol-gel, corrosion, porosity, zirconium oxide, electrochemistry, thin films, nanocrystalEnglish
Stabilisatoren, Sol-Gel, Korrosion, Porosität, Zirkoniumoxid, Elektrochemie, dünne Schicht, NanokristallinGerman
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 660 Technische Chemie
Divisions: Fachbereich Chemie
Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaften > Materialanalytik
Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaften
Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Date Deposited: 05 Nov 2010 13:18
Last Modified: 07 Dec 2012 11:58
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-23186
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Identification Number: D17
Referees: Ensinger, Prof. Dr. Wolfgang and Albert, Prof. Dr. Barbara
Refereed: 18 October 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2318
Export:

Actions (login required)

View Item View Item