Micro/nanoreservoirs for controlled release of active species in smart functional coatings

This work reports one possible way to develop new functional coatings used to increase the life time of metallic structures. The functionalities selected and attributed to model coatings in the frame of this work were corrosion protection, self-sensing and prevention of fouling (antifouling). The way used to confer those functionalities to coatings was based on the encapsulation of active compounds (corrosion inhibitors, pH indicators and biocides) in micro and nanocontainers followed by their incorporation into the coating matrices. To confer active corrosion protection, one corrosion inhibitor (2-mercaptobenzothiazole, MBT) was encapsulated in two different containers, firstly in silica nanocapsules (SiNC) and in polyurea microcapsules (PU-MC). The incorporation of both containers in different models coatings shows a significant improvement in the corrosion protection of aluminum alloy 2024 (AA2024). Following the same approach, SiNC and PU-MC were also used for the encapsulation of phenolphthalein (one well known pH indicator) to introduce sensing properties in polymeric coatings. SiNC and PU-MC containing phenolphthalein acted as corrosion sensor, showing a pink coloration due to the beginning of cathodic reaction, resulting in a pH increase identified by those capsules. Their sensing performance was proved in suspension and when integrated in coatings for aluminium alloy 2024 and magnesium alloy AZ31. In a similar way, the biocide activity (antifouling) was assigned to two polymeric matrices using SiNC for encapsulation of one biocide (Dichloro-2-octyl-2H-isothiazol-3-one, DCOIT) and also SiNC-MBT was tested as biocide. The antifouling activity of those two encapsulated compounds was assessed through inhibition and consequent decrease in the bioluminescence of modified E. coli. That effect was verified in suspension and when incorporated in coatings for AISI 1008 carbon steel. The developed micro and nanocontainers presented the desired performance, allowing the introduction of new functionalities to model coatings, showing potential to be used as functional additives in the next generation of multifunctional coatings.

Este trabalho reporta uma possível abordagem para o desenvolvimento de novos revestimentos funcionais utilizados para prolongar o tempo de vida de estruturas metálicas. As funcionalidades selecionadas e atribuídas a revestimentos, no âmbito deste trabalho, foram a proteção à corrosão, auto-sensora e prevenção da bioincrustação (antivegetativa). O modo usado para conferir essas funcionalidades aos revestimentos modelo teve como base a encapsulação de compostos ativos (inibidores de corrosão, indicadores de pH e biocidas) em micro e nanocontentores seguido da sua incorporação nas matrizes dos revestimentos. Para conferir proteção ativa contra a corrosão, um inibidor de corrosão (2-mercaptobenzotiazola, MBT) foi encapsulado em dois diferentes contentores, em nanocápsulas de sílica (SiNC) e em microcápsulas poliureia (PU-MC). A incorporação dos dois contentores em dois revestimentos modelo mostram uma melhoria significativa na proteção à corrosão da liga de alumínio 2024 (AA2024). Seguindo a mesma abordagem, SiNC e PU-MC também foram utilizados na encapsulação de fenolftaleína (um indicador de pH muito conhecido) para introduzir propriedades sensoras em revestimentos poliméricos. SiNC e PU-MC contendo fenolftaleína atuaram como sensores de corrosão, demonstrando uma coloração rosa devido ao início da reação catódica, resultado num aumento de pH identificado por essas cápsulas. O desempenho como sensor foi comprovado em suspensão e quando integrados em revestimentos para a liga de alumínio 2024 e de magnésio AZ31. De forma similar, a atividade biocida (antivegetativa) foi conferida a duas matrizes poliméricas usando SiNC para encapsulação de um biocida (dicloro-2-octil-2H-isotiazol-3-ona, DCOIT). As SiNC-MBT também foram testadas como biocida. A atividade antivegetativa desses dois compostos encapsulados foi avaliada através da inibição e consequente diminuição da bioluminescência da E. coli modificada. Esse efeito foi verificado em suspensão e quando incorporado em revestimentos para a liga de aço carbono AISI 1008. Os micro e nanocontentores desenvolvidos demonstraram o desempenho desejado, permitindo a introdução de novas funcionalidades a revestimentos modelo, mostrando potencial para serem usados como aditivos funcionais para a próxima geração de revestimentos multifuncionais.

Doutoramento em Ciência e Engenharia de Materiais