Avaliação das propriedades físicas, químicas, morfológicas e de proteção à corrosão de um sistema aquoso contendo partículas núcleo-casca (copolímero acrílico/PAni)

Abstract

Partículas do tipo núcleo-casca onde o núcleo é composto de poli(metacrilato de metila-acrilato de butila) (P(MMA/BA)) e a casca de polialinina (PAni) foram sintetizadas por copolimerização em meio aquoso num processo em dois estágios. No primeiro estágio, partículas de látex de P(MMA/BA) foram obtidas em um processo semicontinuo por polimerização em emulsão via radicais livres. As partículas de P(MMA/BA) foram usadas no segundo estágio como sementes para a formação da casca de PAni. A casca de PAni foi polimerizada sobre as partículas de P(MMA/BA) por polimerização química in situ. Ácido acrílico (AA) em diferentes concentrações foi utilizado na formulação do núcleo para verificar sua influência na aderência do látex sobre o substrato metálico. Os látex poliméricos foram caracterizados quanto ao teor de sólidos pelo método gravimétrico, potencial zeta, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia no UV-Vis. Para avaliar o efeito da casca de PAni sobre as propriedades físicas e morfológica dos látex de P(MMA/BA), filmes livres foram obtidos por evaporação do solvente. Os filmes foram caracterizados pelas técnicas de calorimetria diferencial exploratória (DSC), análise termogravimétrica (TGA), espectroscopia do infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), espectroscopia Raman, espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X (XPS), MEV, microscopia ótica (MO), microscopia de força atômica (AFM), propriedades mecânicas, absorção de água e ângulo de contato. As propriedades físicas e de proteção de substratos metálicos contra a corrosão proporcionada pelos revestimentos obtidos foram avaliadas pelas técnicas de aderência, resistência ao impacto, flexibilidade, espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS), potencial de circuito aberto (OCP) e exposição à névoa salina. A obtenção de partículas esféricas com morfologia núcleo-casca foi confirmada pelas análises de espalhamento dinâmico de luz (DLS) e microscopia eletrônica de transmissão (MET), sendo obtido partículas com a espessura da casca de aproximadamente 3 nm. A presença da PAni na forma dopada foi confirmada pelas análises de UV-Vis, Raman e XPS. A variação do AA na formulação do núcleo não alterou significativamente as propriedades físicas e morfológicas do látex e do filme livre. Contudo, a aderência ao substrato metálico aumentou com a quantidade de AA, sendo que o látex contendo 2% (m/m) foi utilizado para a aplicação e caracterização das propriedades do filme livre e do revestimento sobre substrato metálico. A realização da diálise e correção do pH foi necessária para obter um revestimento uniforme sobre o substrato de aço carbono e um filme com baixa absorção de água. A presença de uma baixa concentração de PAni (3% em massa) no polímero acrílico alterou a hidrofilicidade e as propriedades de absorção da água dos revestimentos e aumentou em três ordens de grandeza a condutividade do filme em relação à condutividade do filme do núcleo. A maior penetração de água na interface revestimento/metal foi constatada após a exposição do revestimento à névoa salina e a realização da migração subcutânea na amostra contendo PAni. Contudo, isso não afetou a capacidade de obtenção da camada passiva para proteção da superfície do aço carbono fosfatizado contra corrosão, mesmo após 20 dias de imersão em soluções agressivas de NaCl 3,5%.

Core-shell particles of poly(methyl methacrylate-butyl acrylate (P(MMA/BA)) and a polyalinine shell (PAni) were synthesized by two-stage polymerization. In the first stage, latex particles of P(MMA/BA) were obtained in a semicontinuous process by free radical emulsion polymerization. The P(MMA/BA) particles were used in the second stage as seeds for PAni shell formation. The PAni shell was polymerized on the P(MMA/BA) particles by in situ chemical polymerization. Acrylic acid (AA) at different concentrations was used in the core formulation to verify its influence on the latex adhesion on the metal substrate. Polymeric latexes were characterized by gravimetric method, zeta potential, scanning electron microscopy (SEM) and UV-Vis spectroscopy. To evaluate the effect of PAni shell on the physical and morphological properties of latex P(MMA/BA), free films were obtained by evaporation of the solvent. The films were characterized by differential scanning calorimetry (DSC), thermogravimetric analysis (TGA), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), Raman spectroscopy, X-ray excited photoelectron spectroscopy (XPS), SEM, optical microscopy (MO), atomic force microscopy (AFM), mechanical properties, water absorption and contact angle. The physical and corrosion protection properties of latex coatings on metal substrate were evaluated by adhesion, impact strength, flexibility, electrochemical impedance spectroscopy (EIS), open circuit potential (OCP) and exposure to salt spray. The spherical particles with core-shell morphology were confirmed by the dynamic light scattering (DLS) and transmission electron microscopy images (TEM) analysis, particles with a shell thickness of approximately 3 nm were obtained. The presence of Pani in the doped form was confirmed by UV-Vis, Raman and XPS analyzes. The variation of AA in the core formulation did not significantly change the physical and morphological properties of latex and free film. However, adhesion to the metallic substrate increased with the amount of AA, and the latex containing 2wt% was used for the application and characterization of the properties of the free film and the coating on metallic substrate. The dialysis and pH correction was necessary to obtain a more uniform coating on the carbon steel substrate and a film with lower water absorption. The presence of a low concentration of PAni (3 wt%) in the acrylic polymer altered the hydrophilicity and water absorption properties of the coatings and increased the film conductivity relative to the core film conditionality by three orders of magnitude. The increased water penetration at the coating/metal interface was found after exposing the coating to the salt spray and performing the subcutaneous migration on the coating containing Pani. However, this did not affect the ability to obtain the passive layer to protect the surface of phosphatized carbon steel against corrosion, even after 20 days of immersion in aggressive solutions of NaCl 3.5 wt%.