Velicsanyi, P. (2019). Graphene based materials for the application on metallic surfaces [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/78712
E164 - Institut für Chemische Technologien und Analytik
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Date (published):
2019
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Number of Pages:
133
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Keywords:
Graphen; Graphenoxid; Korrosionsschutz
de
graphene; grapheneoxide; corrosion protection
en
Abstract:
In this work graphene oxide (GO) was synthesized and was characterized in respect of its structure, composition and ionic exchange activity for alkali, earth alkali metal ions, aluminum, iron and for zinc ion with the aim to test if graphene oxide is a useful additive in corrosion protective paint systems to enhance their efficiency. XRD patterns and Raman spectra, having the characteristic peaks of graphene oxide show the successful synthesis via electrochemical exfoliation while with SEM and AFM analysis the mostly one atomic layer flakes could be determined with lateral dimensions in the range of several micrometers. SEM images indicate a folded structure that may also contribute to the high ion exchange activity with an increased number of functional groups. The high ability of the functionalized GO to bind cations was confirmed by analytical measurements, where the ion exchange capacity was evaluated by determining the remnant concentration in a solution with a known initial amount of dissolved salt (Li+, Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Fe2+, Al3+ and Zn2+) either by complexometric titration or by ICP-OES analysis. Here, Ca2+ and Li+ showed a higher affinity to graphene oxide. Cross-exchange experiments on ion-exchanged graphene oxide suggested also a higher stability for the Zn2+-GO complex. In addition, the permeation of the cations mentioned above through a two-component polyurethane paint film with or without graphene oxide was also investigated. A massive change in the mobility for Li+, Ca2+ and Zn2+ was observed, what is in a good correspondence with the results of the analytical measurements and suggests a possible enhancement of the corrosion protection properties of a paint system. This was tested by electrochemical corrosion methods, as potentiodynamic polarization and electrochemical impedance analysis that showed lower corrosion currents and higher corrosion resistances for a system containing any kind of graphene oxide, whether ion-exchanged or not. These findings were also verified by neutral and copper accelerated acetic acid salt spray corrosion tests, where the graphene oxide containing organic coating exhibited an enhanced corrosion protective character on galvanized steel and Li+ exchanged graphene oxide containing paint on aluminium. In the scope of this work, graphene oxide was also used as an additive in passivating silane conversion layers on steel surfaces, that were characterized for their structure, electrochemical behavior and thus for corrosion protection, as well. Here, a massive decrease in the corrosion current could be observed, what was demonstrated by salt spray and climatic tests which revealed a higher corrosion protective character of a graphene oxide-containing conversion layer compared to that of a galvanized steel surface without passivation or with GO-containing passivation layer.
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Im Rahmen dieser Arbeit wurde Graphenoxid (GO) hergestellt und in Bezug auf seine Stuktur, Zusammensetzung und Ionenaustauschkapazität für Alkali-, Erdalkalimetallionen, als auch Aluminium-, Eisen- und Zinkionen charakterisiert. Das Ziel war zu überprüfen, ob das Graphenoxid ein entsprechendes Additiv in Lacksystemen, die zum Zweck von Korrosionsschutz verwendet werden, sein könnte, das die Effizienz dieser erhöht. Die Röntgendiffraktion- und Raman-spektroskopische Analysen zeigten, dass sich Graphenoxid gut mittels elektrochemischen Methoden herstellen lässt. Durch weitere rasterelektronen- sowie atomkraftmikroskopische Untersuchungen konnte auch nachgewiesen werden, dass das Material hauptsächlich aus Einzellagen mit lateralen Dimensionen im Bereich von einigen Mikrometern besteht. Rasterelektronenmikroskopie zeigte eine intensiv gefaltete Struktur, die für eine hohe Ionenaustauschkapazität durch die an den Kanten gebildeten funktionellen Gruppen eine sehr große Rolle spielt. Die große Neigung des funktionalisierten Graphenoxids zur Wechselwirkung mit den Kationen wurde mittels analytischen Methoden untersucht, wo die Ionenaustauschkapazität entweder durch komplexometrische Titration oder ICP-OES-Analyse der Restkonzentration einer Lösung mit bekannter Ausgangskonzentration eines Salzes (Li+, Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Fe2+, Al3+ oder Zn2+) bestimmt wurde. Hier zeigten Ca2+ und Li+-Ionen die höchste Affinität zum Graphenoxid. Kreuzaustauschexperimente, durchgeführt an ionenautauschtem Graphenoxid zeigten im Fall vom Zn2+-GO-Komplex die höchste Stabilität. Zusätzlich zu diesen Messungen, wurde die Permeation der genannten Kationen durch eine 2K-Polyurethaneschicht mit oder ohne Graphenoxid gemessen. Es konnte eine massive Abnahme der Mobilität für Li+, Ca2+ und Zn2+ festgestellt werden, was in einer guten Übereinstimmung mit den Ergebnissen aus den analytischen Methoden steht. Dies zeigt eine mögliche Verbesserung der Korrosionsschutzeigenschaften eines graphenoxidhaltigen Lacksystems an. Die Korrosionsschutzeigenschaften wurden mittels elektrochemischen Methoden, wie potenziodynamische Polarisation und elektrochemische Impedanzspektroskopie untersucht. Die Ergebnisse zeigten für die graphenoxidhaltigen Systeme (mit oder ohne Ionenaustausch) einen niedrigeren Korrosionsstrom und höheren Korrosionswiderstand. Korrosionstests wurden auch mit dem neutralen und kupferbeschleunigten Essigsäure-Salzsprühnebeltest durchgeführt. Hier zeigten die graphenoxidhaltigen Lackschichten auf verzinktem Stahl und die Li+-ausgetauschten GO-haltigen Lackschichten auf Aluminium eine wesentliche Verbesserung der Korrosionsschutzwirkung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde Graphenoxid auch als Additiv für silanhaltige Konversionsschichten auf Stahl eingesetzt und diese wurden in ihrer Struktur, dem elektrochemischen Verhalten und ihren Korrsionseigenschaften untersucht. Hier konnte eine massive Abnahme des Korrosionsstroms festgestellt werden. Neutrale Salzsprühnebelprüfung lieferte eine verbesserte Korrosionsschutzwirkung im Vergleich zu verzinkten Stahloberflächen ohne Passivierung oder mit GO-freier Passivierung.
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Additional information:
Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers