Influência da espessura nas propriedades anticrustantes de filmes finos de TiO2 depositados em aço inoxidável AISI 316L

Abstract

Um dos grandes desafios da indústria marítima relaciona-se ao controle dos processos de bioincrustação em superfícies submersas em ambiente aquático por longos períodos. Neste sentido, verifica-se um grande esforço para o desenvolvimento de agentes antincrustantes com impactos ambientais aceitáveis a fim de substituir o biocida tributilestanho, amplamente utilizado até 2008 para grandes embarcações. Neste sentido, no presente trabalho verificou-se o potencial de aplicação de filmes finos de TiO2 em diferentes espessuras como agente antincrustante. Desta forma, filmes com diferentes espessuras de TiO2 foram depositados sobre aço inoxidável AISI 316L pela técnica de magnetron sputtering e, então, caracterizados pelas técnicas de perfilometria, espectroscopia Raman, difração de raios-X e avaliação do ângulos de contato antes e depois da irradiação por UV-A e UV-C. A caracterização da propriedade antincrustantes dos filmes foi realizada por meio de experimento de campo, onde superfícies com e sem revestimento foram submersas por 110 dias com acompanhamento fotográfico e quantitativo do desenvolvimento da bioincrustação marinha no Rio Cubatão com auxílio do software PhotoQuad. Os filmes avaliados consistiam em revestimentos de espessuras de 3,5 nm até 172,5 nm de TiO2, sendo que o filme mais fino apresentou característica amorfa e os mais espessos apresentaram estrutura cristalina composta por rutile e anatase. No que diz respeito à molhabilidade, todas as espessuras apresentaram hidrofilicidade fotoinduzida para ambos os comprimentos de onda. Por outro lado, o revestimento com espessura de 172,5 nm se destacou por apresentar transição mais rápida para hidrofilicidade e ângulo de contato de até 16 graus para UV-A. Acerca da bioincrustação, foi possível verificar um atraso no início do processo de incrustação da superfície, independentemente da espessura do filme. Também se verificou a redução da área total média incrustada por Balanus Amphitrite em superfícies com revestimento de TiO2 em relação às amostras sem revestimento de até 36%. No estudo identificou-se as diatomáceas Amphora coffeaeformis, Terpsinoë musica e Cocconeis fluviatilis como espécies microincrustantes das superfícies submersas com auxílio da técnica de MEV. No presente estudo verificou-se que filmes com espessuras muito finas, da ordem de 3,5nm até os mais espessos apresentaram ação antincrustante e retardamento do início do processo de bioincrustação.

Abstract: One of the great challenges of the maritime industry is related to the control of biofouling processes on surfaces submerged in the aquatic environment for long periods of time. In this sense, there is a great effort to develop antifouling agents with acceptable environmental impacts in order to replace the tributyltin biocide, widely used until 2008 for large vessels. Thus, in the present work it was verified the potential of applying thin films of TiO2 in different thicknesses as an antifouling agent. Therefore, films with different thicknesses of TiO2 were deposited on AISI 316L stainless steel by the technique of magnetron sputtering and, then, characterized by the techniques of profilometry, Raman spectroscopy, X-ray diffraction and evaluation of the contact angles before and after irradiation by UV-A and UV-C. The characterization of the antifouling properties of the films was carried out through a field experiment, where surfaces with and without coating were submerged for 110 days with photographic and quantitative monitoring of the development of marine biofouling in the Cubatão River with the aid of the PhotoQuad software. The evaluated films consisted of coatings of thickness from 3.5 nm to 172.5 nm of TiO2, with the thinnest film presenting an amorphous characteristic and the thickest films presenting a crystalline structure composed of rutile and anatase. Regarding the wettability, all thicknesses showed photoinduced hydrophilicity for both wavelengths. On the other hand, the 172.5 nm thick coating stood out for presenting a faster transition to hydrophilicity and a contact angle of up to 16 degrees for UV-A. Regarding biofouling, it was possible to verify a delay in the beginning of the fouling process of the surface, regardless of the thickness of the film. There was also a reduction in the mean total area fouled by Balanus Amphitrite on surfaces with TiO2 coating compared to samples without coating by up to 36%. In the study, the diatoms Amphora coffeaeformis, Terpsinoë musica and Cocconeis fluviatilis were identified as microfoulers species of the submerged surfaces with the aid of the SEM technique. In the present study it was found that films with very thin thicknesses, in the order of 3.5nm to the thickest ones, presented anti-fouling and delayed action in the beginning of the biofouling process.