Corrosion resistance of Zn–Al layered double hydroxide/ poly(lactic acid) composite coating on magnesium alloy AZ31

Abstract

A Zn–Al layered double hydroxide (ZnAl-LDH) coating consisted of uniform hexagonal nano-plates was firstly synthesized by co-precipitation and hydrothermal treatment on the AZ31 alloy, and then a poly(lactic acid) (PLA) coating was sealed on the top layer of the ZnAl-LDH coating using vacuum freeze-drying. The characteristics of the ZnAl-LDH/PLA composite coatings were investigated by means of XRD, SEM, FTIR and EDS. The corrosion resistance of the coatings was assessed by potentiodynamic polarization and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The results showed that the ZnAl-LDH coating contained a compact inner layer and a porous outer layer, and the PLA coating with a strong adhesion to the porous outer layer can prolong the service life of the ZnAl-LDH coating. The excellent corrosion resistance of this composite coating can be attributable to its barrier function, ion-exchange and self-healing ability.

Keywords

magnesium / corrosion / layered double hydroxide (LDH) / poly(lactic acid) (PLA) / ion-exchange / self-healing

References

[1] Song G. Recent progress in corrosion and protection of magnesium alloys. Advanced Engineering Materials, 2005, 7(7): 563–586

[2] Song G, Atrens A. Understanding magnesium corrosion − a framework for improved alloy performance. Advanced Engineering Materials, 2003, 5(12): 837–858

[3] Zeng R C, Wang L, Zhang D F, . In vitro corrosion of Mg–6Zn–1Mn–4Sn–1.5Nd/0.5Y alloys. Frontiers of Materials Science, 2014, 8(3): 230–243

[4] Zeng R C, Qi W C, Song Y W, . In vitro degradation of MAO/PLA coating on Mg–1.21Li–1.12Ca–1.0Y alloy. Frontiers of Materials Science, 2014, 8(4): 343–353

[5] Wang Y M, Guo J W, Wu Y F, . Biocorrosion resistance of coated magnesium alloy by microarc oxidation in electrolyte containing zirconium and calcium salts. Frontiers of Materials Science, 2014, 8(3): 295–306

[6] Liang J, Zhang R H, Peng Z J, . One-step electrochemical fabrication of bilayered MgO/polymer coating on magnesium alloy. Frontiers of Materials Science, 2014, 8(3): 307–312

[7] Tian P, Liu X. Surface modification of biodegradable magnesium and its alloys for biomedical applications. Regenerative Biomaterials, 2015, 2(2): 135–151

[8] Zeng R-C, Sun X-X, Song Y-W, . Influence of solution temperature on corrosion resistance of Zn–Ca phosphate conversion coating on biomedical Mg–Li–Ca alloys. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2013, 23(11): 3293–3299

[9] Chang L M, Liu W, Duan X Y, . Pulse plated Zn transition layer in electroplating Zn–Ni coatings on magnesium alloys. Surface Engineering, 2012, 28(10): 725–730

[10] Xu L, Yamamoto A. Characteristics and cytocompatibility of biodegradable polymer film on magnesium by spin coating. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2012, 93: 67–74

[11] Zheludkevich M L, Shchukin D G, Yasakau K A, . Anticorrosion coatings with self-healing effect based on nanocontainers impregnated with corrosion inhibitor. Chemistry of Materials, 2007, 19(3): 402–411

[12] Zheludkevich M. Self-healing anti-corrosion coatings. In: Ghosh S K, ed. Self-Healing Materials: Fundamentals, Design Strategies, and Applications. Weinheim, Germany: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2009, 101−140<?Pub Caret?>

[13] Ma R, Liu Z, Li L, . Exfoliating layered double hydroxides in formamide: a method to obtain positively charged nanosheets. Journal of Materials Chemistry, 2006, 16(39): 3809–3813

[14] Kumar G S, Girija E K, Thamizhavel A, . Synthesis and characterization of bioactive hydroxyapatite–calcite nanocomposite for biomedical applications. Journal of Colloid and Interface Science, 2010, 349(1): 56–62

[15] Guo S, Li D, Zhang W, . Preparation of an anionic azo pigment-pillared layered double hydroxide and the thermo- and photostability of the resulting intercalated material. Journal of Solid State Chemistry, 2004, 177(12): 4597–4604

[16] Wang J, Li D, Yu X, . Hydrotalcite conversion coating on Mg alloy and its corrosion resistance. Journal of Alloys and Compounds, 2010, 494(1−2): 271–274

[17] Syu J H, Uan J Y, Lin M C, . Optically transparent Li–Al–CO₃ layered double hydroxide thin films on an AZ31 Mg alloy formed by electrochemical deposition and their corrosion resistance in a dilute chloride environment. Corrosion Science, 2013, 68: 238–248

[18] Chen H, Zhang F, Chen T, . Comparison of the evolution and growth processes of films of M/Al-layered double hydroxides with M= Ni or Zn. Chemical Engineering Science, 2009, 64(11): 2617–2622

[19] Liu J, Li Y, Huang X, . Layered double hydroxide nano- and microstructures grown directly on metal substrates and their calcined products for application as Li-ion battery electrodes. Advanced Functional Materials, 2008, 18(9): 1448–1458

[20] Hsieh Z L, Lin M C, Uan J Y. Rapid direct growth of Li–Al layered double hydroxide (LDH) film on glass, silicon wafer and carbon cloth and characterization of LDH film on substrates. Journal of Materials Chemistry, 2011, 21(6): 1880–1889

[21] Lin J, Hsia C, Uan J. Characterization of Mg, Al-hydrotalcite conversion film on Mg alloy and Cl⁻ and anion-exchangeability of the film in a corrosive environment. Scripta Materialia, 2007, 56(11): 927–930

[22] Uan J-Y, Yu B-L, Pan X-L. Morphological and microstructural characterization of the aragonitic CaCO₃/Mg,Al-hydrotalcite coating on Mg–9 wt Pct Al–1 wt Pct Zn alloy to protect against corrosion. Metallurgical and Materials Transactions A, 2008, 39(13): 3233–3245

[23] Lin J, Uan J. Formation of Mg, Al-hydrotalcite conversion coating on Mg alloy in aqueous HCO3−/CO32− and corresponding protection against corrosion by the coating. Corrosion Science, 2009, 51(5): 1181–1188

[24] Uan J-Y, Lin J-K, Sun Y-S, . Surface coatings for improving the corrosion resistance and cell adhesion of AZ91D magnesium alloy through environmentally clean methods. Thin Solid Films, 2010, 518(24): 7563–7567

[25] Yu B-L, Lin J-K, Uan J-Y. Applications of carbonic acid solution for developing conversion coatings on Mg alloy. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2010, 20(7): 1331–1339

[26] Lin J-K, Jeng K-L, Uan J-Y. Crystallization of a chemical conversion layer that forms on AZ91D magnesium alloy in carbonic acid. Corrosion Science, 2011, 53(11): 3832–3839

[27] Chen J, Song Y W, Shan D Y, . In situ growth of Mg–Al hydrotalcite conversion film on AZ31 magnesium alloy. Corrosion Science, 2011, 53(10): 3281–3288

[28] Chen J, Song Y W, Shan D Y, . Study of the in situ growth mechanism of Mg–Al hydrotalcite conversion film on AZ31 magnesium alloy. Corrosion Science, 2012, 63: 148–158

[29] Chen J, Song Y W, Shan D Y, . Study of the corrosion mechanism of the in situ growth Mg–Al–CO32− hydrotalcite film on AZ31 alloy. Corrosion Science, 2012, 65: 268–277

[30] Chen J, Song Y, Shan D, . Modifications of the hydrotalcite film on AZ31 Mg alloy by phytic acid: The effects on morphology, composition and corrosion resistance. Corrosion Science, 2013, 74: 130–138

[31] Zeng R C, Liu Z G, Zhang F, . Corrosion of one-step formation of in-situ LDH conversion film on AZ31 magnesium alloy. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2015, 25(6): 1917–1925

[32] Vega J M, Granizo N, de la Fuente D, . Corrosion inhibition of aluminum by coatings formulated with Al–Zn–vanadate hydrotalcite. Progress in Organic Coatings, 2011, 70(4): 213–219

[33] Li D, Wang F, Yu X, . Anticorrosion organic coating with layered double hydroxide loaded with corrosion inhibitor of tungstate. Progress in Organic Coatings, 2011, 71(3): 302–309

[34] Yu X, Wang J, Zhang M, . Synthesis, characterization and anticorrosion performance of molybdate pillared hydrotalcite/in situ created ZnO composite as pigment for Mg–Li alloy protection. Surface and Coatings Technology, 2008, 203(3−4): 250–255

[35] Foad El-Sherbini E E, Abd-El-Wahab S M, Amin M A, . Electrochemical behavior of tin in sodium borate solutions and the effect of halide ions and some inorganic inhibitors. Corrosion Science, 2006, 48(8): 1885–1898

[36] Zhang F, Liu Z G, Zeng R C, . Corrosion resistance of Mg–Al–LDH coating on magnesium alloy AZ31. Surface and Coatings Technology, 2014, 258: 1152–1158

[37] Zeng R C, Liu Z G, Zhang F, . Corrosion of molybdate intercalated hydrotalcite coating on AZ31 Mg alloy. Journal of Materials Chemistry A: Materials for Energy and Sustainability, 2014, 2(32): 13049–13057

[38] Zomorodian A, Garcia M P, Moura e Silva T, . Corrosion resistance of a composite polymeric coating applied on biodegradable AZ31 magnesium alloy. Acta Biomaterialia, 2013, 9(10): 8660–8670

[39] Ostrowski N, Lee B, Enick N, . Corrosion protection and improved cytocompatibility of biodegradable polymeric layer-by-layer coatings on AZ31 magnesium alloys. Acta Biomaterialia, 2013, 9(10): 8704–8713

[40] Ostrowski N J, Lee B, Roy A, . Biodegradable poly(lactide-co-glycolide) coatings on magnesium alloys for orthopedic applications. Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 2013, 24(1): 85–96

[41] Shukor F, Hassan A, Islam M S, . Effect of ammonium polyphosphate on flame retardancy, thermal stability and mechanical properties of alkali treated kenaf fiber filled PLA biocomposites. Materials & Design, 2014, 54: 425–429

[42] Chen Y, Song Y, Zhang S, . Interaction between a high purity magnesium surface and PCL and PLA coatings during dynamic degradation. Biomedical Materials, 2011, 6(2): 025005

[43] Wang L, Zhang K, Sun W, . Hydrothermal synthesis of corrosion resistant hydrotalcite conversion coating on AZ91D alloy. Materials Letters, 2013, 106: 111–114

[44] Ishizaki T, Chiba S, Watanabe K, . Corrosion resistance of Mg–Al layered double hydroxide container-containing magnesium hydroxide films formed directly on magnesium alloy by chemical-free steam coating. Journal of Materials Chemistry A: Materials for Energy and Sustainability, 2013, 1(31): 8968–8977

[45] Ji C, Annabi N, Hosseinkhani M, . Fabrication of poly-DL-lactide/polyethylene glycol scaffolds using the gas foaming technique. Acta Biomaterialia, 2012, 8(2): 570–578

[46] Vreugdenhil A, Gelling V, Woods M, . The role of crosslinkers in epoxy–amine crosslinked silicon sol–gel barrier protection coatings. Thin Solid Films, 2008, 517(2): 538–543

[47] Qian M, Mcintosh S A, Tan X H, . Two-part epoxy-siloxane hybrid corrosion protection coatings for carbon steel. Thin Solid Films, 2009, 517(17): 5237–5242

[48] Zeng R C, Hu Y, Guan S K, . Corrosion of magnesium alloy AZ31: The influence of bicarbonate, sulphate, hydrogen phosphate and dihydrogen phosphate ions in saline solution. Corrosion Science, 2014, 86: 171–182

Acknowledgements

This work was supported by Scientific Research Foundation of Shandong for Outstanding Young Scientist (BS2013CL009), Doctoral Program Foundation of State Education Ministry (20133718120003), Applied Basic Research Foundation of Qingdao (13-1-4-217-jch), SDUST Research Fund (2014TDJH104), Joint Innovative Centre for Safe and Effective Mining Technology and Equipment of Coal Resources, Shandong Province as well as Taishan Scholarship Project of Shandong Province (TS20110828).

RIGHTS & PERMISSIONS

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg