Zirconium oxide conversion coating and biobased organic coatings for aluminum protection

Abstract

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.