Synthesis and optimization of a sol-gel coating for corrosion protection

This thesis work studied the synthesis and optimization of a sol-gel coating on cabinet’s hinges in order to increase their corrosion resistance. It has been carried out in collaboration and under the supervision of Collini Srl Company, manufacturer of the components subjected to the deposition of the protective coating. These hinges are made of iron and are covered with a layer of copper and one of nickel through electroplating processes. The aim is to develop a deposition technique that can be implemented to the production line of Collini branch in Civate, keeping into considerations the needs and requirements of its industrial activity. The final product must guarantee that the hinge obtains a minimum rp8 rating after 8 consecutive hours in acetic salt spray chamber (AASS DIN EN ISO 9227). The selected process is the sol-gel method, which is known to be one of the main methods for the manufacture of ceramic films. The imposed criteria were the avoidance of onerous treatments and the final coating’s transparency. The initial attempt was to deposit chemical gels obtained from the polymerization of alkoxysilanes through only hydrolysis and condensation reactions. Nevertheless, during production, the need to reach high temperatures in drying and sintering phases has emerged. Therefore, we opted for an approach that did not require the complete release of volatile organic components and in which the solvent was part of the final coating. Self-assembled nanophase particles (SNAP) was the coating of choice: the nanoparticles are pre-formed in a hydrolytic sol-gel process and then assembled and crosslinked after the solution’s application on the substrate. Mono- and di-functional amino-silanes are used as crosslinking agents. The most critical issue of this process is the short time interval in which the solution can be applied. Adapting the method to the production line means finding a solution to prevent the complete gelation that happen a few minutes after the addition of the crosslinking agents. The next step was to analyze some retarding agents that would have lengthened the times of applicability of the solution while preserving the anticorrosive properties of the final coating. The role of malonic acid was explored as a complexing agent for the sol-gel chemistry. The timing in which the solution is deposited on the substrate, starting from the addition of the crosslinking agents, has proved to be a determining factor in the properties of the final coating. What remained was to establish when the solution should have been deposited to maximize the effectiveness of the coating. The best results have been obtained at a certain viscosity range of the solution that corresponds to specific gelation phases. The work is designed to be suitable for an industrial plant, but the result is not ready to be adopted. All the analysis and considerations made on the samples subjected to corrosion tests have been carried out in a qualitative manner, and never by measuring quantitatively the effective resistance to corrosion of the coating. In conclusion, this work aims to be a starting point for a future project that, after further research and experimentation, could be applied on an industrial scale.

Nel presente lavoro di tesi è stata studiata la sintesi e l’ottimizzazione di un coating sol-gel su cerniere per ante di armadi in grado di aumentarne la resistenza a corrosione. Il lavoro è stato eseguito in collaborazione e con la supervisione dell’azienda Collini Srl, produttrice dei componenti soggetti alla deposizione del coating protettivo. Le cerniere sono in ferro e sono rivestite da uno strato di rame e uno di nickel applicati tramite processi di elettrodeposizione. L’obiettivo è quello di sviluppare una tecnica di deposizione che possa successivamente essere implementata alla linea di produzione della filiale di Civate considerando le necessità e i requisiti dell’attività industriale. Il prodotto finale deve garantire che la cerniera ottenga una valutazione minima rp8 dopo 8 ore consecutive in camera nebbia salina acetica (AASS DIN EN ISO 9227). Il processo scelto è il metodo sol-gel, noto per essere uno dei principali metodi per la fabbricazione di film ceramici. I criteri fondamentali erano l’elusione di trattamenti onerosi e la trasparenza del coating finale. Inizialmente si è optato per la deposizione di gel chimici ottenuti dalla polimerizzazione di alcossisilani mediante le sole reazioni di idrolisi e condensazione. Tuttavia, durante la lavorazione, è emersa la necessità di dover raggiungere temperature elevate nelle fasi dell’asciugatura e della sinterizzazione del coating. Pertanto, abbiamo optato per un approccio che non richiedesse il completo rilascio dei componenti organici volatili e in cui il solvente fosse un elemento del coating finale. La scelta ricadde dunque sui self-assembled nanophase particles (SNAP) coatings in cui le nanoparticelle vengono preformate in un processo sol-gel idrolitico e successivamente assemblate e reticolate in seguito all’applicazione della soluzione sul substrato. Gli amino-silani mono- e di-funzionali vengono usati come agenti reticolanti. Lo scarso intervallo di tempo di applicabilità della soluzione è il punto più critico riscontrato. Adattare il processo alla linea di produzione industriale comporta trovare una soluzione per impedire che la completa gelificazione accada dopo pochi minuti dall’aggiunta degli agenti reticolanti. Il passo successivo era quello di indagare su eventuali agenti ritardanti che potessero dilatare i tempi di applicabilità della soluzione conservando le proprietà anticorrosive del coating prodotto. L’acido malonico è stato investigato come agente complessante nella chimica sol-gel. L’intervallo di tempo in cui viene depositata la soluzione sul substrato, a partire dall’aggiunta degli agenti reticolanti, si è rivelato essere un fattore determinante delle proprietà del coating finale. Rimaneva dunque da stabilire quando la soluzione andasse depositata per massimizzare l’efficacia del rivestimento. I risultati migliori stati ottenuti ad un determinato range di viscosità della soluzione corrispondente a specifiche fasi della gelificazione. Il lavoro è pensato per essere adatto ad un impianto industriale, ma il risultato non è pronto per essere eseguito dall’impianto stesso. Le analisi e le considerazioni effettuate sui campioni sottoposti a test di corrosione sono state fatte in maniera qualitativa e mai misurando in maniera quantitativa l’effettiva resistenza a corrosione del coating. Questo lavoro vuole dunque essere un punto di partenza per un futuro progetto che a seguito di ulteriori ricerche e sperimentazioni possa essere effettivamente applicato su scala industriale.