مواد پیشرفته و پوشش های نوین

مواد پیشرفته و پوشش های نوین

نقش افزودنی زیرکونیوم در اصلاح پوشش بر پایه‌ی هیدروکسی آپاتیت در افزایش عملکرد مقاومت در برابر خوردگی برای کاربرد در ایمپلنت‌های منیزمی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 کارشناس، دانشکده رنگ و پلیمر، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران
2 استادیار، گروه رنگ و روکشهای سطح، پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران، تهران، ایران
3 استاد، گروه پلی یورتان، پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران، تهران، ایران
amnc.2022.10.40.6
چکیده
در این پژوهش برای بهبود خواص ضدخوردگی پوشش هیدروکسی آپاتیت، از زیرکونیوم به عنوان افزودنی در غلظت‌های متفاوت (1/0، 1 و 10 گرم بر لیتر) در محلول پوشش هیدروکسی آپاتیت استفاده گردیده است. ویژگی‌های سطحی و خواص الکتروشیمیایی پوشش‌ها با نمونه‌های منیزیم بدون پوشش و منیزیم با پوشش هیدروکسی آپاتیت بهینه مقایسه می‌گردد. نمونه‌های منیزیم AZ31 پس از آماده‌سازی سطحی، توسط محلول متشکل از هیدروکسی آپاتیت و زیرکونیوم با غلظت‌های متفاوت هگزافلوروزیرکونیک اسید پوشش داده شده‌اند. رفتار خوردگی نمونه‌ها توسط آزمون‌های طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی و پلاریزاسیون جریان مستقیم در محلول 5/3 درصد وزنی سدیم کلراید بررسی گردید. نتایج آزمون‌های الکتروشیمیایی نشان دادند که بهترین عملکرد خوردگی مربوط به نمونه‌ با غلظت زیرکونیوم 1 گرم بر لیتر در محلول است. مقاومت پلاریزاسیون این نمونه Ω.cm2 8870 است که در مقایسه با نمونه‌ی با پوشش هیدروکسی آپاتیت بهبود قابل توجهی یافته است. کمترین چگالی جریان خوردگی (μA/cm2 79/0) در بین تمامی نمونه‌ها نیز مربوط به این نمونه است. برای بررسی ریخت‌شناسی و ارزیابی ترکیب پوشش‌ها از میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی و طیف‌سنجی پراکنش انرژی پرتو ایکس استفاده گردید. نتایج آزمون طیف‌سنجی پراش اشعه ایکس و میکروسکوپ الکترونی تشکیل کریستال‌های هیدروکسی آپاتیت و لایه‌ی آمورف زیرکونیوم را تایید نمودند. در جهت تکمیل مطالعات سطحی نمونه‌ها آزمون زاویه تماس انجام گردید. با افزودن زیرکونیوم به هیدروکسی آپاتیت به میزان 1 گرم بر لیتر زاویه تماس قطره‌ی آب با سطح نمونه 10 درجه افزایش یافته است که نشان می‌دهد سطح نمونه‌ آب‌گریز تر گردید که تایید کننده‌ی خواص ضدخوردگی بهتر است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

[1] Zhu D, Su Y, Young ML, et al. “Biological responses and mechanisms of human bone marrow mesenchymal stem cells to Zn and Mg biomaterials”, ACS Applied Materials & Interfaces, 2017, 9(33): 27453–27461.
[2] Zhang X, Li X W, Li J G, et al. “Preparation and mechanical property of a novel 3D porous magnesium scaffold for bone tissue engineering”, Materials Science and Engineering C, 2014, 42: 362–367.
[3] Witte F, Kaese V, Haferkamp H, et al. “In vivo corrosion of four magnesium alloys and the associated bone response”, Biomaterials,2005, 26(17): 3557–3563.
[4] Razavi M, Fathi M, Savabi O, et al. “Nanostructured merwinite bioceramic coating on Mg alloy deposited by electrophoretic deposition”, Ceramics International, 2014, 40(7): 9473–9484.
[5] H.E. Friedrich, B.L. Mordike, Magnesium Tech.: Technology of Magnesium And Magnesium Alloys, Springer, New York, 2006, pp. 219–430.
[6] G. Wu, C. Wang, Q. Zhang, P.C. Kang, Characterization of Ce conversion coating on Gr-f/6061Al composite surface for corrosion protection, J. Alloy. Compd. 461 (2008) 389–394, https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2007.06.104
[7] H.R. Asemani, A.A. Sarabi, H. Eivaz Mohammadloo, M. Sarayloo, Electrochemical and morphological properties of zirconium conversion coating in the presence of nickel ions on galvanized steel, J. Coat. Technol. Res. 13 (2016) 883–894, https:// doi.org/10.1007/s11998-016-9800-x.
[8] Zhao Y B, Shi L Q, Cui L Y, et al. Corrosion resistance of silane-modified hydroxyapatite films on degradable magnesium alloys. Acta Metallurgica Sinica (English Letters), 2018, 31(2):180–188
[9] Cui L Y,Wei G B, Zeng R C, et al. Corrosion resistance of a novel SnO2-doped dicalcium phosphate coating on AZ31 magnesium alloy. Bioactive Materials, 2018, 3(3): 245–249
[10] M. Afshari , H. Eivaz Mohammadloo , A.A. Sarabi , Sh. Roshan, "Modification of hydroxyapatite-based coating in the presence of polyvinylalcohol (PVA) for implant application: Corrosion, structure and surface study" Corrosion Science 192 (2021) 109859
[11] X.J.Ji, Q.Cheng, J.Wang, Y.B.Zhao, Z.Z.Han, F.Zhang, S.Q.Li, R.C.Zeng, Z.L.Wang, Corrosion resistance andante bacterial  effects of hydroxyapatite coating induced by polyacrylicacid  and gentamicin sulfate on magnesium alloy, Front. Mater. Sci. (2019)1–12.
[12] M. Zhang, S. Cai, S. Shen, G. Xu, Y. Li, R. Ling, X. Wu, In-situ defect repairing in hydroxyapatite/phytic acid hybrid coatings on AZ31 magnesium alloy by hydrothermal treatment, J. Alloys Compd. 658 (2016) 649–656.
[13] Sh. Roshan, H. Eivaz Mohammadloo, A.A. Sarabi, M. Afshari, Biocompatible hybrid chitosan/hydroxyapatite coating applied on the AZ31 Mg alloy substrate: In-vitro corrosion, surface and structure studies, Materials Today Communications 30 (2022) 103153
[14] Hamid Reza Bakhsheshi-Rad, Esah Hamzah, Choa Pei Shuang, Filippo Berto: "Preparation of poly(ε-caprolactone)-hydroxyapatite composite coating for improvement of corrosion performance of biodegradable magnesium", Mat Design Process Comm. 2020;1–7. https://doi.org/10.1002/mdp2.170
[15] S.K. Tiwari, M. Tripathi, R. Singh, Electrochemical behavior of zirconia basedcoatings on mild steel prepared by sol–gel method, Corros. Sci. 63 (2012)334–341.
[16] S. Adhikari, K.A. Unocic, Y. Zhai, G.S. Frankel, J. Zimmerman, W. Fristad, Elec-trochem. Acta 56 (2011) 1912–1924.
[17] M.AhadiParsa, H.Eivaz Mohammadloo, S.M. Mirabedini, Sh. Roshan, Bio-corrosion assessment and surface study of hydroxyapatite-coated AZ31 Mg alloy pre-treated with vinyl tri-ethoxy silane, Materials Chemistry and Physics 287 (2022) 126147
[18] ASM, Handbook volume 5: surface engineering - ASM international, n.d. https://www.asminternational.org/handbooks/-/journal_content/56/10192/0612 5G/PUBLICATION. (Accessed 16 March 2021).
[19] Nabizadeh, M., Sarabi, A. A., & Mohammadloo, H. E. (2019). Comparative investigation of Cu ion and adipic acid addition on electrochemical and microstructure characteristics of vanadium conversion coating on AZ31 Mg alloy. Surface and Coatings Technology, 357, 1-11.
[20] M. Montemor, A. Simoes, M. Ferreira, M. Carmezim, Composition and corrosion resistance of cerium conversion films on the AZ31 magnesium alloy and its relation to the salt anion, J. Appl. Surf. Sci. 254 (2008) 1806–1814, https://doi.org/ 10.1016/S0925-8388(01)01899-0.
[21] D.W. Wheeler, Kinetics and mechanism of the oxidation of cerium in air at ambient temperature, Corros. Sci. 111 (2016) 52–60, https://doi.org/10.1016/j. corsci.2016.04.025.
[22] M. Tomozawaa, S. Hiromoto, Growth mechanism of hydroxyapatite-coatings formed on pure magnesium and corrosion behavior of the coated magnesium, Appl. Surf. Sci. 257 (2011) 8253–8257, https://doi.org/10.1016/j. apsusc.2011.04.087.
[23] M. Tomozawaa, S. Hiromoto, Microstructure of hydroxyapatite- and octacalcium phosphate-coatings formed on magnesium by a hydrothermal treatment at various pH values, Acta Mater. 59 (2011) 355–363, https://doi.org/10.1016/j. actamat.2010.09.041.
[24] R. Amini, H. Vakili, B. Ramezanzadeh, Studying the effects of poly (vinyl) alcohol on the morphology and anti-corrosion performance of phosphate coating applied on steel surface, J. Taiwan Inst. Chem. Eng. 58 (2016) 542–551, https://doi.org/ 10.1016/j.jtice.2015.06.024.
[25] L. Li, A.L. Desouzac, G.M. Swain, Analyst 138 (2013) 4398–4402.
[26] Y.P. Lu, Z.Y. Qu, Mater. Prot. 36 (2003) 35–37.
[27] Jiang, S. Cai, Sh. Zhang F. Xu, P. Ling, R. Li, Y. Jiang, Y. Xu, G; “Synthesis and characterization of magnesium phytic acid/apatite composite coating on AZ31 Mg alloy by microwave assisted treatment” Prog. Materials Science & Engineering C 91 (2018) 218–227.
[28]  X. Zhang, C. Van den Bos, W.G. Sloof, A. Hovestad, H. Terryn, Comparison of the morphology and corrosion performance of Cr(VI)- and Cr(III)-based conversion coatings on zinc, Surf. Coat. Technol. 199, 2005, Pp. 92-104.
[29] L. Fedrizzi, L. Ciaghi, P.L. Bonora, R. Fratesi, G. Roventi, Corrosion behaviour of electrogalvanized steel in sodium chloride and ammonium sulphate solutions; a study by E.I.S, J Appl Electrochem. 22, 1992, Pp. 247-254.
[30] C.Y. Li, C. Yu, R.C. Zeng, B.C. Zhang, L.Y. Cui, J. Wan, Y. Xia, In vitro corrosion resistance of a Ta2O5 nanofilm on MAO coated magnesium alloy AZ31 by atomic layer deposition, Bioact. Mater. 5 (2020) 34–43.
[31] S.K. Tiwari , R.K. Sahu, A.K. Pramanick, Raghuvir Singh, Development of conversion coating on mild steel prior to sol gel nanostructured Al2O3 coating for enhancement of corrosion resistance, Surf. Coat. Technol 205, 2011, Pp. 4960 – 4967.
[32] Y. Liu, Y. Yang, C. Zhang, T. Zhang, B. Yu, G. Meng, Y. Shao, F.Wang, and L. Liua, J. Electrochem. Soc., 163, C576 (2016).
[33] Milosev. Frankel, G.S. "Review- Conversion coatings absed on Zirconium and/or Titanium" Prog. Journal of The Electrochemical Society, 165 (3) C127-C144 (2018).
[34] A. Haider, S. Haider, S.S. Han, I.-K. Kang, Recent advances in the synthesis, functionalization and biomedical applications of hydroxyapatite: a review, RSC Advances, 7 (2017) 7442-7458. doi: 10.1039/C6RA26124H.
[35] N. Ida, N. Meyendorf, Handbook of Advanced Nondestructive Evaluation, Springer International Publishing, 2019. https://books.google.com/books?id=y8xOjwEACAAJ.
[36] E. McCafferty, Introduction to Corrosion Science, Springer New York, 2010. https://books.google.com/books?id=g9oXcE-gQKUC.
[37] Eivaz Mohammadloo. H, Sarabi. A.A, Mohammad Hosseini. R, Sarayloo, M. Sameie, H. Salimi, R, “A comprehensive study of the green hexafluorozirconic acid-based conversion coating”, Prog. Org. Coat., 77(2), p. p. 322 330, 2014.
[38] Y.S. Choi, J.J. Shim, J.G. Kim, “Effects of Cr, Cu, Ni and Ca on the corrosion behavior of low carbon steel in synthetic tap water”, J. Alloy. Compd. 391, 2005, Pp. 162-169.
[39] Mohammadloo, H. E, Sarabi, A. A. (2016). “Titanium-phytic acid nano structured conversion coating formation on CRS substrate”. Progress in Organic Coatings, 101, 391-399.‏
[40] C. N. Cao, Corrosion Electrochemistry, Chemical Industrial Press, 1994.
[41] Asemani, H., et al., Effect of zirconium conversion coating: Adhesion and anti-corrosion properties of epoxy organic coating containing zinc aluminum polyphosphate (ZAPP) pigment on carbon mild steel. Progress in Organic Coatings, 2016. 94: p. 18-27.
[42] Ardelean, H., I. Frateur, and P. Marcus, Corrosion protection of magnesium alloys by cerium, zirconium and niobium-based conversion coatings. Corrosion Science, 2008. 50(7): p. 1907-1918.    
[43] Cerezo, J., et al., Initiation and growth of modified Zr-based conversion coatings on multi-metal surfaces. Surface and Coatings Technology, 2013. 236: p. 284-289.  
[44]  Zomorodian, A., Garcia, M. P., e Silva, T. M., Fernandes, J. C. S., Fernandes, M. H., & Montemor, M. D. F. (2015). Biofunctional composite coating architectures based on polycaprolactone and nanohydroxyapatite for controlled corrosion activity and enhanced biocompatibility of magnesium AZ31 alloy. Materials Science and Engineering: C, 48, 434-443.‏ [45] Anthony, John W. ; Bideaux, Richard A. ; Bladh, Kenneth W. ; Nichols, Monte C. , eds. (2000). "Hydroxylapatite". Handbook of Mineralogy (PDF). IV (Arsenates, Phosphates, Vanadates). Chantilly, VA, US: Mineralogical Society of America. ISBN 0-9622097-3-2.
[46] T. S. Chow (1998). "Wetting of rough surfaces". Journal of Physics: Condensed Matter. 10 (27): L445. Bibcode:1998JPCM...10L.445C.
[47] N.W. Khun and G.S. Frankel, "Composition and corrosion protection of hexafluorozirconic acid treatment on steel" Materials and Corrosion 66(11):1215-1222
[48]  Pai, S., Kini, M. S., & Selvaraj, R. (2021). A review on adsorptive removal of dyes from wastewater by hydroxyapatite nanocomposites. Environmental Science and Pollution Research, 28(10), 11835-11849.‏
[49] Rezaei, N. M., Hasegawa, M., Ishijima, M., Nakhaei, K., Okubo, T., Taniyama, T., … Ogawa, T. (2018). Biological and osseointegration capabilities of hierarchically (meso-/micro-/nano-scale) roughened zirconia. International Journal of Nanomedicine, Volume 13, 3381–3395.