Desenvolvimento de um revestimento sol-gel com comportamento hidrofóbico para substratos de liga de alumínio Miguel Filipe Anguelov Evaristo Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química Mestrado em Engenharia Química Orientador: Prof. Alda Maria Pereira Simões Júri Presidente: Prof. António Luís Vieira de Andrade Maçanita Orientador: Prof. Alda Maria Pereira Simões Vogais: Prof. Ana Clara Lopes Marques Junho 2017
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Desenvolvimento de um revestimento sol-gel com
comportamento hidrofóbico para substratos de liga de
alumínio
Miguel Filipe Anguelov Evaristo
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química
Mestrado em Engenharia Química
Orientador: Prof. Alda Maria Pereira Simões
Júri
Presidente: Prof. António Luís Vieira de Andrade Maçanita
Orientador: Prof. Alda Maria Pereira Simões
Vogais: Prof. Ana Clara Lopes Marques
Junho 2017
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Agradecimentos
É com um sentido de concretização que expresso os meus agradecimentos a todos os que
estiveram envolvidos e possibilitaram a realização deste trabalho.
Em primeiro lugar, gostaria de agradecer à Prof.ª Alda Simões por me ter orientado nesta
tese, mostrando disponibilidade em ajudar no esclarecimento de dúvidas, plena confiança nas minhas
capacidades e motivando-me ao longo de todas as etapas.
Gostaria ainda de agradecer:
A todos os professores que me ajudaram, com especial destaque à Prof.ª Benilde Saramago
por ter disponibilizado o goniómetro para a medição dos ângulos de contacto.
À responsável pelo manuseamento do microscópio electrónico de varrimento, Isabel
Nogueira, pela facilidade e disponibilidade em aceder ao aparelho.
A todos os meus colegas de laboratório, por terem apresentado imensa paciência em
demonstrar o funcionamento de diversos aparelhos, a localização de reagentes, ou até mesmo na
discussão de certos assuntos relativos ao tema. Mas também pela motivação e simpatia
demonstradas ao longo destes meses.
Por fim, quero agradecer à minha família, pois sem a educação e valores que me incutiram e
tornaram na pessoa que sou hoje nada disto seria possível e ainda a todos os meus amigos que de
alguma forma estiveram presentes.
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Resumo
De forma a evitar a corrosão em substratos de liga de alumínio 2024, que resulta da
exposição atmosférica e limita a sua durabilidade, planeou-se a criação de um revestimento sol-gel
hidrofóbico através da técnica de deposição electroforética, com uma consequente alteração das
suas propriedades superficiais. Entre as mais importantes, as pretendidas corresponderam à
translucidez para não alterar o aspecto visual do substrato, aderência e durabilidade a longo-prazo. O
revestimento baseou-se numa camada dupla de silanos, primeiro hidrofílica para garantir a aderência
ao substrato e no exterior hidrofóbica, funcionando como repelente em relação à água.
Para testar a morfologia e o carácter protector dos filmes obtidos, recorreu-se a métodos de
inspecção visual por lupa, microscopia electrónica de varrimento (SEM), medição de ângulos de
contacto e espectroscopia de impedância electroquímica. Os resultados apontaram para uma
repelência à água considerável por parte do revestimento bicamada visto que os ângulos de contacto
aproximaram-se da superhidrofobicidade, sendo o valor máximo obtido de 128º. Relativamente à
impedância, verificou-se um aumento de praticamente duas ordens de grandeza por parte das
amostras com revestimento (106 Ohm·cm2 vs 104 Ohm·cm2). Houve uma diminuição em uma ordem
de grandeza após um dia de imersão em NaCl 0,1 M, mas esta manteve-se aproximadamente
constante na semana seguinte, revelando durabilidade por parte da camada dupla.
Deste modo, confirmou-se a possibilidade em criar um revestimento anti-corrosivo a partir do
processo sol-gel, evitando assim a utilização de métodos não ecológicos como o recurso a cromatos
e garantindo uma elevada estabilidade e durabilidade.
Figura 15: Diagrama de Bode representando a impedância e o ângulo de fase em função da
frequência (eixo dos x) [29]. .............................................................................................................. 37
Figura 16: Montagem experimental da deposição electroforética (a) e respectivo esquema (b)
incluindo identificação dos eléctrodos. .............................................................................................. 40
Figura 17: Montagem experimental para a etapa da imersão............................................................. 42
Figura 18: Circuito eléctrico equivalente utilizado no ajuste dos resultados de espectroscopia de
impedância electroquímica para o substrato e amostras com revestimento hidrofílico. ...................... 43
Figura 19: Circuito eléctrico equivalente utilizado no ajuste dos resultados de espectroscopia de
impedância electroquímica para as amostras com revestimento bicamada hidrofóbico...................... 44
Figura 20: Voltamograma para o aço AISI 316 na solução contendo os silanos TEOS e APTES;
varrimento a 100 mV/s. ..................................................................................................................... 45
Figura 21: Corrente em função do tempo para uma deposição electroforética a potencial constante de
-1,2 V e 1 min (a) e para um tempo fixo de 2 min (b). ........................................................................ 46
Figura 22: Aspecto visual das amostras tratadas durante 2 min com potenciais de -1,0 V (a, b) e -1,2
V (c, d). ............................................................................................................................................. 47
Figura 23: Micrografia do substrato de aço AISI 316 (a) e respectiva análise elementar obtida por EDS
Água deionizada millipore com elevado grau de pureza (H2O millipore)
Etanol absoluto para análise (EtOH; 99,8 %; Panreac)
O pH foi ajustado com ácido clorídrico p.a. (HCl; 37,0 %; Panreac) e ácido acético glacial p.a.
(CH3COOH; 99,7 %; Panreac) e na limpeza do eléctrodo de trabalho foram utilizados: ácido nítrico
para análise (HNO3; 65,0 %; Panreac) e hidróxido de sódio (NaOH anidro; 98,0 %; Sigma-Aldrich).
3.1.2.Método de preparação das suspensões
Suspensão 1:
Solventes: EtOH e água deionizada
Razão EtOH/H2O: 90:5 (v:v)
Razão TEOS/APTES: 90:10 (v:v)
Concentração dos precursores (volume): 5 %
Catalisador: HCl
39
Preparou-se uma solução por adição de 36 mL etanol a 2 mL de água deionizada, agitando
vigorosamente a 800 rpm durante todo o processo de preparação, com recurso a um agitador
magnético. Antes da adição dos percursores, imergiu-se um medidor de pH na solução para proceder
ao ajuste imediato do pH até um valor próximo de 4. Adicionou-se 1,8 mL de TEOS e 0,2 mL de
APTES à solução, 40 µL de HCl 37% e algumas gotas de solução HCl 0,1M no ajuste. Esta solução
menos concentrada foi preparada por diluição da solução a 37%. A suspensão ficou a hidrolisar à
temperatura ambiente durante 24 horas e apresentava-se incolor, sendo as partículas de precursor
visualmente indistinguíveis1.
Suspensão 2:
Solventes: EtOH e água deionizada
Razão EtOH/H2O: 75:25 (v:v)
Concentração de precursor (volume): 5 %
Catalisador: Ácido acético
Primeiro criou-se uma solução contendo 18,75 mL de etanol e 6,25 mL de água deionizada,
agitando vigorosamente a 800 rpm durante todo o processo de preparação, com recurso a um
agitador magnético. Antes da adição de 1,25 mL do percursor PhTMS, imergiu-se um medidor de pH
na solução para proceder ao ajuste imediato do pH até um valor próximo de 3,5. Adicionaram-se o
precursor e 50 µL de ácido acético glacial neste ajuste. A suspensão ficou a hidrolisar à temperatura
ambiente durante 24 horas e apresentava-se incolor, sendo as partículas de precursor visualmente
indistinguíveis.
3.2.Deposição electroforética
3.2.1.Eléctrodos e célula
O esquema da deposição electroforética baseou-se em três eléctrodos, de trabalho, um
contra-eléctrodo e um de referência. O eléctrodo de trabalho correspondeu ao substrato em questão,
ou seja, aço inoxidável 316 ou liga de alumínio sob a forma de chapas planas com as dimensões de
45x30x1 mm3. O contra-eléctrodo utilizado foi uma espiral de platina. Para referência usou-se o
eléctrodo de calomelanos saturado em solução de KCl (SCE). Todos os potenciais referidos neste
estudo encontram-se referidos ao SCE.
1 Precipitação ocorre caso o ajuste de pH não seja suficientemente veloz caso o pH seja superior a 6.
40
Criou-se uma célula de acrílico na forma geométrica de um prisma rectangular com ranhuras
que permitissem colocar o eléctrodo de trabalho a uma distância fixa de 1,5 cm do contra-eléctrodo
de platina. A base corresponde a uma área de 11,31 cm2 e as paredes laterais de 11,31 cm2 e 15,21
cm2, sendo que o volume total da célula é de 44,11 cm3. O isolamento dos contornos das placas de
acrílico foi essencial para evitar fugas de solução, tendo-se recorrido à cola Araldite à base de resina
epoxídica. Na Figura 16 é possível identificar os diferentes eléctrodos.
(a) (b)
Figura 16: Montagem experimental da deposição electroforética (a) e respectivo esquema (b) incluindo
identificação dos eléctrodos.
Limpeza dos eléctrodos
As chapas (de aço ou de alumínio) foram polidas sucessivamente com lixas de granulometria
320, 400 e 600 para eliminar os principais contaminantes, parte da camada de óxidos passiva e
tornar a superfície homogénea, maximizando a aderência do filme [3,4].
Após este tratamento físico, procedeu-se a um tratamento químico da superfície [31] por
imersão do substrato polido em acetona durante 1 min tendo como fim a remoção de gorduras. Este
passo foi imediatamente seguido por uma decapagem alcalina a 40º C numa solução de NaOH 25 g/L
durante 5 min para remover a camada de óxidos nativa. O próximo passo foi repassivar o substrato
em ácido nítrico 65 % diluído a 25 % (volume) por 2 min, lavando com água deionizada. Por fim,
procedeu-se a uma limpeza em ultrassons com etanol com uma duração de 5 min e secaram-se as
chapas com ar comprimído.
O contra-eléctrodo de platina foi lavado com uso abundante de água deionizada e secou-se
com ar comprimido. O eléctrodo de referência foi lavado com água deionizada antes e após a sua
utilização e posterior secagem com papel.
2,0 cm
Nível da
solução
Eléctrodo de
Referência
Eléctrodo de
Trabalho
Contra-eléctrodo
1,5 cm
41
3.2.2.Técnica de deposição electroforética
Foi utilizado um potencióstato Voltalab PGZ100 acoplado ao software de controlo Voltamaster
4.
Com a finalidade de maximizar a deposição no substrato fez-se a escolha dos potenciais a
aplicar na electroforese recorrendo a uma análise por voltametria cíclica com potenciais catódicos. O
passo inicial correspondeu a uma medição do potencial em circuito aberto contendo os três
eléctrodos. A voltametria cíclica consistiu em variar potenciais aplicados desde o verificado em
circuito aberto até valores em que se dá uma variação praticamente linear da corrente, indicando a
predominância da redução da água e a inexistência de reacções adicionais relevantes que são
identificadas por desvios à linearidade.
Deste modo e com base nos resultados do capítulo 4, aplicaram-se potenciais numa gama de
-0,9 V a -1,2 V e diferentes períodos de tempo de deposição (1 min e 2 min) para o aço inox e de -1,8
V até -3 V (2 min e 3 min) para a liga de alumínio2.
Após a deposição, as amostras passaram por um tratamento térmico a 70º C durante 1 hora
numa estufa ventilada Memmert VO para promover o fenómeno de secagem.
3.3.Deposição por imersão
Para depositar a segunda camada de PhTMS e finalizar o revestimento sol-gel do tipo
bicamada utilizou-se o processo de imersão das amostras na vertical. Aplicou-se um tempo de
imersão de 200s e as amostras foram inseridas e removidas a uma velocidade constante de 4.5mm/s
dando uso a um ascensor da Siemens (Logo! 12/24RC) - Figura 17. Fez-se ainda a imersão num
substrato sem a primeira camada para comprovar a falta de aderência directa ao mesmo por parte do
PhTMS.
O tratamento térmico após imersão foi de 1 h a 100o C e 9 h a 190o C num forno do tipo estufa
ventilada (memmert VO).
2 Potenciais relativos ao eléctrodo de referência de calomelanos saturados, ou seja, correspondem a VSCE, abreviando-se para V nos capítulos seguintes.
42
Figura 17: Montagem experimental para a etapa da imersão.
3.4.Análise morfológica e composicional dos revestimentos
3.4.1.Inspecção visual
A inspecção visual das amostras foi feita recorrendo a uma lupa Leica DMS300 e a uma
câmara fotográfica Olympus E330.
3.4.2.Microscopia electrónica de varrimento (SEM)
O microscópio electrónico de varrimento utilizado foi o JEOL JSM-7001F. A importância desta
análise encontra-se na possibilidade de visualização dos revestimentos nas zonas em que tal não é
possível a olho-nú e, adicionalmente, na possibilidade de obtenção de composições para uma
determinada secção da amostra seleccionada por EDS.
Efectuaram-se análises das amostras a uma tensão de aceleração de 15 kV para ampliações
de 5000 x a 60000 x.
3.5.Análise da protecção oferecida ao substrato
3.5.1.Medição de ângulos de contacto
43
Fez-se uma inspecção visual a olho nú dos ângulos através da injecção de 20 L de água em
cada amostra e recorrendo à câmara fotográfica.
Os ângulos de contacto para o revestimento obtido por deposição electroforética foram
medidos utilizando um conjunto Goniómetro/lâmpada, no qual as amostras foram colocadas na
horizontal e uma gota de água foi injectada recorrendo a uma seringa colocada na vertical. É
importante referir que a câmara onde se injectou a gota se encontrou numa atmosfera saturada em
água dado que a porosidade inerente ao revestimento acoplado à evaporação deste líquido
conduziriam a valores dotados de pouco rigor e elevado desvio-padrão. Estes ângulos foram medidos
em nove zonas distintas do substrato (minimizando o desvio padrão), durante um período de tempo
de dez minutos visto que os valores variam com o tempo. Esta montagem encontra-se ligada a um
computador e as medições foram efectuadas com recurso a um programa criado para o software
Matlab para o efeito.
3.5.2.Espectroscopia de impedância electroquímica
Os espectros foram obtidos utilizando os mesmos eléctrodos e montagem da deposição
electroforética, mas desta vez imersos numa solução NaCl 0,1 M [6,7,8,32] e com a diferença de que
o eléctrodo de trabalho se encontrava revestido com verniz, limitando a área exposta a 3 cm2. Este
revestimento foi necessário para garantir que o sinal captado pelo eléctrodo de referência fosse o do
filme e não o do substrato, impedindo que a solução de NaCl contactasse com o alumínio. As
perturbações ao sistema foram aplicadas através de um potencióstato Gamry, consistindo num
potencial alternado de 10 mV (rms) após 1 h de estabilização ao potencial de circuito aberto. Para
efeito comparativo na análise dos resultados foram obtidos espectros passado 1 h, 4 h e 24 h e foram
percorridas frequências de 100 kHz - 10 mHz. As amostras com a segunda camada foram sujeitas a
espectros passado 3 dias e 7 dias para avaliação da durabilidade a longo prazo.
Os resultados foram ajustados a um circuito eléctrico equivalente (Figura 18) possuindo
resistência à transferência de carga (RP), resistência do electrólito (RS) e elemento de fase constante
(CPE) através do software Zview 2.
Figura 18: Circuito eléctrico equivalente utilizado no ajuste dos resultados de espectroscopia de impedância
electroquímica para o substrato e amostras com revestimento hidrofílico.
RP
RS CPE
44
Para o revestimento bicamada, verificou-se a necessidade de considerar uma constante de
tempo adicional relativa ao filme composta por uma resistência no interior dos poros (Rpor) e uma
capacidade inerente ao filme (Cfilme) para obter ajustes com margens de erro desprezáveis. O circuito
equivalente para este caso está representado na Figura 19.
Figura 19: Circuito eléctrico equivalente utilizado no ajuste dos resultados de espectroscopia de impedância
electroquímica para as amostras com revestimento bicamada hidrofóbico.
RP
RS
CPE
CPEfilme
Rpor
45
4.Resultados
4.1.Substrato de aço inoxidável 316
4.1.1.Selecção dos potenciais para deposição electroforética
Numa fase inicial do trabalho, aplicou-se a metodologia da voltametria cíclica para o substrato
de aço 316 partindo do potencial em circuito aberto (0,2 V vs. SCE). Percorreram-se potenciais
catódicos até um máximo negativo de -1,75 V, potencial ao qual já não se verificava a existência de
nenhuma reacção adicional relevante tal como pode ser visualizado na Figura 20.
Notou-se a existência de uma reacção irreversível a ~ -0,8 V, seguida de um patamar até
aproximadamente -1,3 V. Este patamar deverá corresponder à corrente-limite de redução do oxigénio
dissolvido. Nos ciclos seguintes foi possível verificar que a corrente-limite diminuiu porque se deu
deposição química do gel e deduziu-se que a gama de potenciais a aplicar seria de -1,0 V a -1,3 V.
Figura 20: Voltamograma para o aço AISI 316 na solução contendo os silanos TEOS e APTES; varrimento a 100
mV/s.
4.1.2.Deposição electroforética
A evolução da corrente revelou uma queda a partir de um valor máximo para o instante inicial
(i0) até um valor constante que marca o final do fenómeno da deposição por electroforese (ic). É
importante referir que i0 sofre uma rápida diminuição em meros segundos até ic, devendo-se à
redução da água em hidrogénio e iões OH- que tornam o meio alcalino e promovem a condensação.
-2,5E-03
-2,0E-03
-1,5E-03
-1,0E-03
-5,0E-04
0,0E+00
5,0E-04
1,0E-03
-1,8 -1,3 -0,8 -0,3 0,2
i / A
·cm
-2
Potencial / VSCE
46
Para o potencial aplicado de -0,9 V a inspecção visual da amostra não apresentou quaisquer
sinais de deposição (Figura 21) e este facto deve-se à insuficiência de alteração do pH à superfície
do substrato para promover a reacção de condensação. Assim aplicaram-se, de seguida, potenciais
iguais ou superiores a -1,0 V, valor que marca o limiar a partir do qual é visível a presença de uma
camada esbranquiçada depositada. Por outro lado, para tempos de um minuto, não se chegou a
atingir um valor constante de corrente como se pode verificar na Figura 21 (a) para o caso do
potencial de -1,2 V, indicando que o tempo de deposição é superior. Assim, o tempo de deposição
seleccionado foi de 2 minutos e apresentam-se na Figura 21 (b) as curvas de corrente para os
diferentes potenciais aplicados. Constatou-se que, para potenciais aplicados mais negativos, quer os
valores i180s são mais elevados, demonstrando maior massa depositada tal como seria expectável.
Estes valores estão resumidos na Tabela III.
(a) (b)
Figura 21: Corrente em função do tempo para uma deposição electroforética a potencial constante de -1,2 V e 1
min (a) e para um tempo fixo de 2 min (b).
Tabela III: Valores de densidade de corrente após atingir um valor constante (i180s) para os potenciais aplicados
na deposição.
Potencial / V i180s / A·cm-2
-1,0 4,50x10-4
-1,1 6,05x10-4
-1,2 9,60x10-4
5,0E-04
1,0E-03
1,5E-03
2,0E-03
2,5E-03
3,0E-03
3,5E-03
0 20 40 60
i / A
·cm
-2
tempo/ s
0,0E+00
1,0E-03
2,0E-03
3,0E-03
4,0E-03
0 60 120
i / A
·cm
-2
tempo/ s
-1,2 V -1,2 V
-1,1 V
-1,0 V
47
4.1.3.Análise morfológica e composicional dos revestimentos
4.1.3.1.Inspecção visual
A inspecção das amostras encontra-se na Figura 22. Para os potenciais de -1,0 V e -1,1 V a
deposição não foi uniforme, sendo possível distinguir zonas mais esbranquiçadas que correspondem
a aglomerados de silanos depositados sob a forma de um filme heterogéneo. Os riscos originados
pelo método de polimento são mais visíveis para os potenciais mais baixos, ou seja, menos
negativos, especialmente à ampliação de 6,0 x. O único potencial que aparentemente cobriu o
substrato de uma forma homogénea foi o de -1,2 V, onde os riscos de polimento se encontraram
cobertos, mas tal terá de ser confirmado por microscopia electrónica de varrimento (SEM) no
subcapítulo sequente.
(a) (b)
(c) (d)
Figura 22: Aspecto visual das amostras tratadas durante 2 min com potenciais de -1,0 V (a, b) e -1,2 V (c, d).
48
4.1.3.2.Microscopia electrónica de varrimento (SEM)
A Figura 23 corresponde ao substrato e serve como ferramenta de comparação para as
restantes. Como é visível a uma ampliação de 5000 x existem riscas aproximadamente verticais que
se devem ao método de polimento e a inexistência de qualquer forma de rede porosa. A análise
elementar por EDS demonstrou elevadas percentagens de ferro, crómio e níquel como é possível
verificar na Tabela IV.
Passando à amostra de -1,0 V e 2 min de electrodeposição, apesar de visualmente não ser
distinguida uma camada com homogeneidade, com recurso ao SEM é perceptível a presença de um
filme com espessura considerável em certas partes (Figura 24). Observou-se a existência de
aglomerados de partículas com aproximadamente 100 nm2 de área, o que é justificável visto que a
camada em si não é muito espessa.
O filme obtido a -1,2 V (2 min) é o que apresenta maior homogeneidade e tal é confirmado na
análise por SEM dado que se nota logo a existência de um filme à ampliação de 5000 x. Para 30000
e 60000 x já se consegue uma visão altamente definida da estrutura porosa, com aglomerados de
partículas com dimensões na ordem dos 200 nm de largura/comprimento, ou seja, áreas aproximadas
de 40000 nm2. O EDS revelou as percentagens mássicas presentes na Tabela IV. Comparando as
proporções mássicas entre ferro, crómio e níquel para o substrato (1:0,253:0,168) e esta amostra
(1:0,265:0,168) notou-se que são praticamente constantes e, portanto, houve deposição de
precursores sob a forma dos pesos mássicos de silício e oxigénio tal como seria de esperar pela
estrutura molecular dos silanos em questão.
(a) (b)
Figura 23: Micrografia do substrato de aço AISI 316 (a) e respectiva análise elementar obtida por EDS (b).
NiNi
MnSi Au
Cr
CrS NiFe
Fe
Cr
Fe
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
keVFull Scale 952 cts Cursor: -0.039 (380 cts)
Spectrum 2
1 m
49
(a) (b)
Figura 24: Micrografias do revestimento sobre aço AISI 316 obtido potenciostaticamente a -1,0 V (2 min
de deposição).
(a) (b)
(c) (d)
Figura 25: Micrografias do revestimento obtido potenciostaticamente a -1,2 V e 2 min de deposição (a,b,c)
e EDS para a mesma amostra (d).
NiNiMnS
CrFe NiFe
Cr
Si
Cr
Fe
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
keVFull Scale 359 cts Cursor: -0.023 (693 cts)
Spectrum 1
1 m 100 nm
1 m 100 nm
100 nm
50
Tabela IV: Composições mássicas obtidas por análise EDS em relação aos elementos: Ferro (Fe), Crómio (Cr),
Níquel (Ni), Oxigénio (O) e Silício (Si) para a primeira camada depositada em aço 316.
Amostra / % (m/m) Fe Cr Ni O Si
Substrato 68,69 17,39 11,51 0 0,77
-1,2 V; 2 min 58,47 15,55 9,82 8,89 6,81
4.2.Substrato da liga de alumínio
4.2.1.Selecção dos potenciais para deposição electroforética
O potencial em circuito aberto obtido foi de -0,7 V, valor que difere cerca de -1,0 V em relação
ao aço inoxidável. Percorreram-se potenciais catódicos até um máximo negativo de -4,0 V, potencial
ao qual já não se verificava a existência de nenhuma reacção para além da redução da água tal como
pode ser visualizado na Figura 26.
Notou-se de novo a existência de uma reacção irreversível ao entrar no domínio dos
potenciais negativos. A deposição ocorreu a partir de um patamar a aproximadamente -1,5 V e que
se extende até -3 V e, neste caso, encontrou-se limitada ao primeiro ciclo de potenciais percorrido.
Figura 26: Voltametria cíclica para a liga de alumínio na solução contendo os silanos TEOS e APTES, a partir
OCP até -4,0 V em relação ao eléctrodo de referência de calomelanos saturados.
4.2.2.Deposição electroforética
-6,5E-03
-4,5E-03
-2,5E-03
-5,0E-04
-4 -3,5 -3 -2,5 -2 -1,5 -1 -0,5
i / A
·cm
-2
Potencial / VSCE
51
0E+00
1E-03
2E-03
3E-03
4E-03
-3-2,8-2,6-2,4-2,2-2
i 18
0s
/ A
·cm
-2
Potencial / VSCE
0E+00
1E-03
2E-03
3E-03
4E-03
0 50 100 150
i / A
·cm
-2
tempo/ s
O primeiro potencial aplicado foi de -1,8 V durante 2 min. Ocorreu deposição mas esta não foi
total pois, analogamente ao que sucedeu para o aço, a densidade de corrente não atingiu um valor
constante. Deste modo, o tempo seleccionado para a deposição foi de três minutos. Assim, garantiu-
se uma deposição completa e, visto que a deposição foi praticamente inexistente a -1,8 V,
seleccionaram-se potenciais de -2,0 V a -3,0 V com intervalos de 0,2 V e, por vezes, 0,3 V. Verificou-
se uma proporcionalidade entre a densidade de corrente estacionária (patamar da curvas
amperométricas) e o potencial aplicado - Figura 27 e Tabela V.
(a) (b)
Figura 27: Intensidade da corrente em função do tempo para os diferentes potenciais aplicados e um tempo de
deposição de 3 min (a) e da intensidade da corrente após 180 s em função do potencial aplicado.
Tabela V: Densidade de corrente após atingir um valor constante (I180s) para os potenciais aplicados na
deposição.
Potencial / V i180s / A·cm-2
-2,0 7,95x10-4
-2,2 1,06x10-3
-2,4 1,30x10-3
-2,7 2,24x10-3
-3,0 3,05x10-3
Para os dois potenciais de -2,7 V e -3,0 V, verificou-se após um minuto de deposição a
intensidade da corrente aumenta ligeiramente, contrariamente ao espectável pela cinética da
deposição electroforética. Este facto pode dever-se à presença de uma reacção adicional à
-1,8 V
-3,0 V
-2,7 V
-2,4 V
-2,2 V
-2,0 V
52
condensação alimentada pelos tais potenciais altamente catódicos mas que, no entanto, não afecta a
camada depositada de modo significativo, pelo que é desprezada no âmbito deste projecto.
4.2.3.Análise morfológica e composicional dos revestimentos
4.2.3.1.Inspecção visual
Esta inspecção foi feita do mesmo modo que foi referido anteriormente e os resultados da
lupa seguem-se nas figuras 28 a 30 para ampliações de 0,75 x e 6,0 x.
Observou-se-se uma camada heterogénea nos filmes formados a potenciais entre -2,0 V e -
2,4 V, mas para os potenciais mais negativos foi possível evidenciar uma deposição homogénea sem
riscos com uma fronteira definida entre o substrato e a zona em contacto com a solução.
(a) (b)
Figura 28: Imagens ópticas do alumínio AA 2024 com revestimento sol-gel obtido a -2,0 V e 3 min de deposição,
com a ampliação de 0,75 x (a) e 6,0 x (b).
(a) (b)
Figura 29: Imagens ópticas do alumínio AA 2024 com revestimento sol-gel obtido a -2,2 V e 3 min de deposição,
com a ampliação de 0,75 x (a) e 6,0 x (b).
53
(a) (b) (c)
Figura 30: Imagens ópticas do alumínio AA 2024 com revestimento sol-gel obtido a -2,4 V (a), -2,7 V (b) e -3,0 V
(c) e 3 min de deposição, com a ampliação de 0,75 x.
4.2.3.2.Microscopia electrónica de varrimento (SEM)
O substrato revelou uma superfície irregular (Figura 31) que foi devida ao tratamento químico
de decapagem alcalina empregue no alumínio.
O filme obtido para o potencial de -1,8 V e 2 min de electrodeposição não tinha resultado num
revestimento visível a olho nú e a microscopia electrónica de varrimento permitiu apenas verificar
vestígios de deposição pontuais e uma camada fina. Na Figura 32 (a) observaram-se pequenas
esferas de deposição, que têm área aproximada de 40000 nm2 - Figura 32 (b).
Para o filme de -2,0 V e 3 min de deposição verifica-se a existência de uma camada com
algumas fissuras (Figura 33), mas com uma deposição praticamente homogénea em todo o substrato
e espessura considerável. A análise EDS revela a presença de oxigénio e silício em adição ao
alumínio da liga, o que confirma a deposição do silano. As proporções mássicas observadas podem
ser consultadas na Tabela VI.
Os resultados para os filmes de -2,4 V e -2,7 V (3 min) são bastante semelhantes na medida
em que existe uma maior quantidade de fissuras em relação aos potenciais mais baixos devido a uma
maior massa depositada. A maior ampliação - Figuras 36 (b,c) e 38 (a,b) - verificou-se que o interior
de uma fissura não atinge o substrato, pois é possível denotar a presença de estruturas moleculares
tridimensionais no seu interior. O EDS revelou proporções idênticas às do potencial de -2,0 V.
Para a amostra sujeita ao potencial de -3,0 V durante 3 min notou-se uma camada mais
densa, com menor número de fissuras e menos profundas (Figura 36). Às ampliações de 30000 e
60000 x (Figura 38 (b,c)) foi possível ver com maior detalhe a estrutura tridimensional porosa em
relação a todas as outras amostras. Este facto foi provavelmente causado pela presença de uma
espessura muito superior da camada de silanos. A análise EDS confirmou a existência de uma
quantidade superior de silanos em relação aos casos anteriores (Tabela VI e Figura 39).
54
Por fim, com a finalidade de verificar a influência do tempo de deposição na estrutura
tridimensional porosa, apresentam-se as figuras 37 e 38 relativas a tempos de 30 s e 2 min para o
potencial de -3,0 V e verificou-se que o seu aspecto é mais semelhante à amostra de -2,0 V, ou seja,
houve uma deposição incompleta que afectou negativamente as propriedades de cobertura de
substrato por parte do filme.
(a) (b)
Figura 31: Micrografias do substrato de alumínio AA 2024 após tratamento químico de limpeza.
(a) (b)
Figura 32: Micrografias do revestimento obtido a -1,8 V / 2 min.
1 m 100 nm
1 m 100 nm
1 m 100 nm
55
(a) (b)
(c) (d)
Figura 33: Micrografias do revestimento obtido a -2,0 V / 3 min (a,b,c) e respectiva análise elementar por
EDS (d).
(a) (b)
(c) (d)
Figura 34: Micrografias do revestimento obtido a -2,4 V / 3min (a,b,c) e respectivo EDS (d).
OSi
Al
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
keVFull Scale 1286 cts Cursor: -0.085 (44 cts)
Spectrum 1
O Si
Al
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
keVFull Scale 1286 cts Cursor: -0.085 (41 cts)
Spectrum 1
100 nm
1 m 100 nm
100 nm
56
(a) (b)
Figura 35: Micrografias do revestimento obtido a -2,7V / 3min.
(a) (b)
(c) (d)
Figura 36: Micrografias do revestimento obtido a -3,0V / 3min (a,b,c) e respectivo EDS (d).
O
Si
Al
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
keVFull Scale 996 cts Cursor: -0.085 (36 cts)
Spectrum 1
1 m
1 m
100 nm
100 nm
100 nm
57
(a) (b)
Figura 37: Micrografias do revestimento obtido a -3,0V / 30 s.
(a) (b)
Figura 38: Micrografias do revestimento obtido a -3,0 V / 2 min.
Tabela VI: Composições mássicas obtidas por EDS em relação aos elementos: Ferro (Fe), Crómio (Cr), Níquel
(Ni), Oxigénio (O) e Silício (Si) para a primeira camada depositada em Al.
Amostra / % (m/m) Al O Si
Substrato 96,29 3,71 0
-2,0 V; 3 min 69,18 17,45 13,37
-2,4 V; 3 min 70,53 18,00 11,47
-3,0 V; 3 min 60,53 21,97 17,50
-3,0 V ; 30 s 83,05 11,65 5,30
-3,0 V ; 1 min 67,55 20,29 12,16
-3,0 V ; 3 min 60,53 21,97 17,50
100 nm
100 nm
1 m
1 m
58
(a) (b)
Figura 39: Razão mássica Si/Al para os potenciais aplicados a um tempo de deposição de 3 min (a) e para os
tempos de deposição a um potencial de -3,0 V (b).
4.2.4.Protecção do substrato
4.2.4.1.Ângulos de contacto
As fotografias da injecção de água em cada amostra - Figura 40 – revelaram um filme
hidrofílico, ou seja, com maior molhabilidade em relação ao substrato.
Os resultados do ângulo de contacto - Figura 42 – mostraram uma diminuição do ângulo de
contacto à superfície com potenciais mais catódicos de electrodeposição. O ângulo de contacto para
o substrato foi de 67º e o seu valor não variou com o tempo de forma significante pelo que não se
representou a sua variação em função do mesmo. Para potenciais abaixo de -2,4 V o espalhamento
das gotas tornava o ângulo de contacto inferior a 12o, que corresponde ao limite inferior do aparelho,
pelo que impossibilitou a medição nas amostras tratadas a potenciais mais negativos.
O ângulo de contacto médio das nove zonas foi representado em função do tempo – Figura
41 e o ângulo de contacto médio final (correspondente à média das nove zonas e de todos os
instantes) em função da densidade de corrente – Figura 43.
0
0,1
0,2
0,3
0,4
-3-2-10
Raz
ão m
ássi
ca S
i/A
l
Potencial / V
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0 1 2 3
Raz
ão m
ássi
ca S
i/A
l
t / min
59
Figura 40: Inspecção visual dos ângulos de contacto para cada amostra ao injectar 20 L de água na metade
inferior da placa (onde ocorreu a deposição), evidenciando-se o carácter hidrofílico da primeira camada TEOS e
APTES, e o respectivo espalhamento total do líquido a partir do potencial aplicado de - 2,4 V / 3 min de
deposição.
Figura 41: Ângulo de contacto em função do tempo para cada potencial aplicado na electrodeposição.
10
20
30
40
50
60
70
80
0 200 400 600
Ân
gulo
de
con
tact
o /
o
tempo / s
-1,8 V
-2,0 V
-2,2 V
-2,3 V
60
Figura 42: Ângulo de contacto médio em função do potencial aplicado na electrodeposição do filme de TEOS +
APTES.
Verifica-se também que o ângulo de contacto é fortemente dependente da densidade da
corrente final da electrodeposição (i180s) para cada potencial aplicado, pois relaciona directamente o
grau de deposição obtido com a característica hidrofílica do revestimento pretendida. Notou-se que o
ângulo de contacto foi diminuindo para valores superiores de I180s, verificando-se que uma camada
mais espessa e homogénea deu origem a ângulos inferiores, atingindo mesmo o espalhamento total
(0o).
0
10
20
30
40
50
60
70
-2,5-2,4-2,3-2,2-2,1-2-1,9-1,8-1,7
Ân
gulo
de
con
tact
o /
o
Potencial / V
Substrato
61
Figura 43: Ângulo de contacto médio em função da densidade de corrente no final da electrodeposição (I180s).
4.2.4.2.Espectroscopia de impedância electroquímica
A eficácia de protecção do substrato por parte dos filmes foi testada recorrendo à
espectroscopia de impedância electroquímica. No caso da primeira camada hidrofílica, a impedância
das amostras imersas em NaCl 0,1 M apresentou elevado ruído pelo que foi necessário desprezar
alguns pontos do espectro. Este facto deveu-se principalmente à existência de corrosão por picadas
(pitting) [6,7,8,32,34] que é típica do alumínio e pode condicionar os ajustes de circuitos equivalentes.
O procedimento neste caso consistiu em fazer o ajuste para os pontos disponíveis e, a partir das
constantes obtidas, simular as curvas até uma frequência mais baixa, o que permitiu uma melhor
análise visual dos diagramas de Nyquist e Bode, sem comprometer os valores obtidos para as
constantes do circuito eléctrico equivalente.
4.2.4.2.1.Efeito do potencial aplicado na electrodeposição
Os espectros de impedância para um tempo de deposição electroforética fixo de 3 min,
revelam um comportamento electroquímico em tudo semelhante ao do substrato, exceptuando às
frequências mais elevadas [~3x103 Hz – ver Figura 44 (b)], onde houve uma ligeira variação no
ângulo de fase. Contudo, os ajustes ao circuito equivalente mais simples não foram afectados de
modo significativo, possuindo apenas uma constante de tempo. A primeira camada apresenta um
ligeiro efeito barreira, com um aumento da impedância em relação ao substrato de quase uma ordem
de grandeza após 1 hora de exposição - Figura 44. Este efeito é no entanto temporário, atingindo-se
0
10
20
30
40
50
60
70
4,0E-04 8,0E-04 1,2E-03 1,6E-03
Ân
gulo
de
con
tact
o /
o
i180s / A·cm-2
-2,4 V
-2,3 V -2,2 V
-2,0 V
62
0 100000 200000 300000
-300000
-200000
-100000
0
Z' / Ohm.cm²
Z''
/ O
hm
.cm
²
-3,0 V ; 3 min-2,7 V ; 3 min-2,4 V ; 3 min-2,2 V ; 3 min-2,0 V ; 3 minSubstrato
10-2 10-1 100 101 102 103101
102
103
104
105
106
Frequência / Hz
|Z| /
Oh
m.c
m²
-3,0 V ; 3 min-2,7 V ; 3 min-2,4 V ; 3 min-2,2 V ; 3 min-2,0 V ; 3 minSubstrato
-90
-65
-40
-15
theta
/ ºvalores de impedância da ordem do observado no substrato nú, após 24 h de imersão (Figura 46 e
Figura 47).
A capacidade da dupla camada eléctrica rondou 10-6 F·cm-2·sn-1 (CDC) e sugere que a área de
contacto com o substrato das amostras diminuiu com a presença dos revestimentos (10-7 F·cm-2·sn-1
para o substrato), já que a capacidade é proporcional à área - Figura 48. À partida, não houve
destruição ou remoção da camada num período de 24 h visto que não há uma tendência clara de
variação da capacidade com o tempo de imersão.
A resistência do electrólito (RS) rondou sempre 100 Ohm·cm2 e a resistência à transferência
de carga (RP) permite corroborar as conclusões dos parágrafos anteriores porque o facto de ser
superior para as amostras revestidas indica menor área de substrato exposta e a aproximação dos
seus valores após 24 h também justifica a inexistência de um efeito barreira durável – ver Figura 49.
(a)
(b)
Figura 44: Espectros de impedância das amostras com tempo de electrodeposição de 3 min relativas à 1ª
camada de TEOS+APTES após 1 h de imersão em NaCl 0,1 M, com rectas de ajuste ao circuito equivalente.
63
0 50000 100000 150000 200000
-200000
-150000
-100000
-50000
0
Z' / Ohm.cm²
Z''
/ O
hm
.cm
²-3,0 V ; 3 min-2,7 V ; 3 min-2,4 V ; 3 min-2,2 V ; 3 min-2,0 V ; 3 minSubstrato
0 25000 50000 75000
-75000
-50000
-25000
0
Z' / Ohm.cm²
Z''
/ O
hm
.cm
²
-3,0 V ; 3 min-2,7 V ; 3 min-2,4 V ; 3 min-2,2 V ; 3 min-2,0 V ; 3 minSubstrato
10-1 100 101 102 103101
102
103
104
105
Frequência / Hz
|Z| /
Oh
m.c
m²
-3,0 V ; 3 min-2,7 V ; 3 min-2,4 V ; 3 min-2,2 V ; 3 min-2,0 V ; 3 minSubstrato
-90
-65
-40
-15
theta
/ º
(a)
(b)
Figura 45: Espectros de impedância das amostras com tempo de electrodeposição de 3 min relativas à 1ª
camada de TEOS+APTES após 4 h de imersão em NaCl 0,1 M, com rectas de ajuste ao circuito equivalente.
(a)
(b)
Figura 46: Espectros de impedância das amostras com tempo de electrodeposição de 3 min relativas à 1ª
camada de TEOS+APTES após 24 h de imersão em NaCl 0,1 M, com rectas de ajuste ao circuito equivalente.
10-1 100 101 102 103101
102
103
104
105
106
Frequência / Hz
|Z| /
Oh
m.c
m²
-3,0 V ; 3 min-2,7 V ; 3 min-2,4 V ; 3 min-2,2 V ; 3 min-2,0 V ; 3 minSubstrato
-90
-65
-40
-15
the
ta / º
64
Figura 47: Impedância a 0,27 Hz (Z0,27 Hz) em função do tempo de imersão em NaCl 0,1 M para a primeira
camada, a um tempo fixo de deposição de 3 min.
Figura 48: Capacidade da dupla camada eléctrica (CDC) em função do potencial aplicado na electrodeposição
para as diversas amostras da primeira camada. Rectas para cada instante de imersão em NaCl 0,1 M, a um
tempo fixo de deposição de 3 min.
0,0E+00
4,0E+04
8,0E+04
1,2E+05
1,6E+05
0 5 10 15 20 25
Z 0,2
7 H
z/
Oh
m·c
m2
t / h
-3,0 V ; 3 min
-2,7 V ; 3 min
-2,4 V ; 3 min
-2,2 V ; 3 min
-2,0 V ; 3 min
Substrato
0,0E+00
2,0E-06
4,0E-06
6,0E-06
8,0E-06
-3-2,5-2-1,5-1-0,50
CD
C/
F·cm
-2·s
n-1
Potencial / VSCE
1 h
4 h
24 h
65
Figura 49: Resistência à transferência de carga (RP) em função do potencial aplicado na electrodeposição para
as diversas amostras da primeira camada. Rectas para cada instante de imersão em NaCl 0,1 M, a um tempo
fixo de deposição de 3 min.
4.2.4.2.2.Efeito do tempo de electrodeposição
Foi analisado o efeito do tempo da electrodeposição, com o potencial fixo de -3,0 V e tempos
de deposição de 1,2 e 3 min. Os principais resultados são: uma maior impedância e resistência à
transferência de carga para um maior tempo de deposição (figuras 50 a 53), confirmando novamente
que a espessura do filme obtido aumenta com o tempo a que a amostra esteve sujeita ao potencial
aplicado. Deste modo, retiraram-se as mesmas ilações quanto à impedância e durabilidade, sendo
que maior espessura equivale a uma cobertura mais prolongada do alumínio porque o líquido demora
mais tempo a penetrar os poros.
Quanto à capacidade da dupla camada eléctrica, a presença de um revestimento mais
espesso não aparentou ter efeito sobre a área exposta do substrato visto que os valores são muito
próximos para os diferentes tempos de deposição a cada instante de imersão em NaCl (Figura 54).
Assim, considerando estes factos, é seguro afirmar que a homogeneidade das camadas criadas ao
potencial de -3,0 V é conseguida até para um tempo de deposição curto de 1 min, mas a espessura