Corrosion protection is commonly achieved by applying a thin polymer coating on metal surfaces. In this doctoral thesis, a waterborne hydroxyacrylate-melamine copolymer coating was used for this purpose. The first step was to find the optimal curing conditions. To this end the effect of curing time at 180 °C on the conversion of the cross-linking reaction, surface topography, nanomechanical and nanowear properties were investigated using atomic force microscopy, AFM. The results demonstrated that optimal performance required 10 min curing at 180 °C. This resulted in 80% conversion of the cross-linking reaction, as well as good barrier performance with polarization resistance of the order of 10⁹Ω·cm²during 35 days in 0.1 M NaCl solution as determined by Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). It also resulted in minor surface roughness and high surface elastic modulus in the order of GPa. 

This waterborne coating and its nanocomposite containing 0.5 wt.% cellulose nanocrystals (CNC) were systematically studied, focusing on their corrosion protection performance and the effect of environment and localized wear on the properties of the top surface. The results show that both coatings have high polarization resistance, R_p. For the matrix coating the polarization resistance displays a slightly decreasing trend with time, as expected for a barrier coating. In contrast, the CNC nanocomposite coating exhibits an unusual and unexpected increase in polarization resistance with time. The difference in the time dependence of Rp can be attributed to the reinforcement effect of CNC, which form strong hydrogen bonding interactions with the matrix coating. Further, the appearance of a second time constant in the corresponding EIS spectra implies formation of a more protective second layer at the metal-coating interface. The presence of this compact layer also contributes to the corrosion protection offered by the CNC nanocomposite coating. In addition, both coatings show only limited water-uptake during long term exposure to 0.1 M NaCl. The water up-take is too small to measurably change the coating capacitance, as studied by EIS. However, AFM studies of surface nanomechanical properties show that for the CNC nanocomposite some water penetration occurs, which irreversibly renders the surface softer.

Inspired by the CNC nanocomposite coating and its favorable corrosion protective properties, 0.5 wt.% cellulose nanofibrils, CNF, nanocomposite coatings were also studied using the same methodologies. The results revealed that the CNF nanocomposite coating cannot provide efficient corrosion protection performance even over a period of 24 h. The measured polarization resistance decreases rapidly over time, and consistently water uptake is readily observed by analyzing coating capacitance using EIS technique. The substantial difference in corrosion protective properties of the CNC nanocomposite and the CNF nanocomposite are explained mainly from the perspective of microstructure, matrix-CNC or matrix-CNF interactions by using scanning electron microscopy (SEM) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The results show the presence of defects on the surface and in the bulk and absence of strong hydrogen bonding interactions between matrix and CNF. These are two reasons for why the CNC nanocomposite performs well in terms of corrosion protection, whereas the CNF nanocomposite does not. 

In real applications good barrier coatings may also fail due to external forces such as erosion by wind and water, impact of solid particles or sliding motions against other objects, which may destroy the coating integrity. This motivated further studies of the matrix and the CNC nanocomposite, by focusing on their nanomechanical and nano-wear properties using local measurements by means of AFM. The effect of applied normal load, ranging from 50 – 400 nN, scanning speed, ranging from 1 – 20 µm/s, operating environment including air and water, as well as exposure to corrosive 0.1 M NaCl solution, were systematically studied and discussed.

Korrosionsskydd uppnås vanligtvis genom att applicering av en tunn polymerbeläggning på metallytan. I denna doktorsavhandling studerades först en vattenburen hydroxyakrylat-melamin-sampolymerbeläggning för att hitta de optimala härdningsförhållandena. Effekten av härdningsbetingelserna, t ex längd på härdningstiden vid 180 °C, på omvandling av tvärbindningsreaktion, yttopografi och nanomekaniska egenskaper och nanodegrarderingsegenskaper undersöktes med användning av AFM. Resultaten visar att det optimala härdningsförhållandet är vid 180 ° C under 10 min, vilket kan ge 80% omvandlingen av tvärbindningsreaktionen, liksom goda barriärprestanda med en polarisationsresistens i storleksordningen 10⁹Ω·cm²under lång tids exponering under 35 dagar för 0,1 M NaCl-lösning utvärderat med elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS). Mindre ytråhet och hög ytelastisk modul i storleksordningen GPa uppnås också för prover under optimalt härdningsförhållande.

Vidare studerades ovan vattenburen beläggning och dess nanokomposit innehållande 0,5 viktprocent cellulosa nanokristaller (CNC) systematiskt med fokus på deras korrosionsskyddsprestanda. Mätningarna utfördes med elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) teknik i 0,1 M NaCl-lösning. Resultaten visar att båda beläggningarna har hög polarisationsbeständighet i storleksordningen 10⁸- 10⁹ohm · cm². För matrisbeläggningen uppvisar polarisationsmotståndet en svag minskande trend medan CNC-nanokompositbeläggningen uppvisar en ökande trend. Skillnaden i Rp-beteenden kan delvis tillskrivas förstärkningseffekten av CNC där starka vätebindningar bildas mellan CNC och matrisbeläggningen. Dessutom innebär närvaron av en andra tidskonstant i motsvarande EIS-spektra att ett mer skyddande andra skikt bildats, troligen vid gränsytan mellan metallen och beläggningen. Närvaron av detta kompakta skikt bidrar också till de korrosionsskyddande egenskaperna hos CNC-nanokompositbeläggningen. Dessutom uppvisar båda beläggningarna endast begränsat vattenupptag under långvarig exponering, vilka är för obetydliga för att mätbart förändra beläggningskapacitansen, vilket studerades med EIS.

Inspirerad av CNC-nanokompositbeläggningen och dess gynnsamma korrosionsskyddande egenskaper studerades också 0,5 vikt-% CNF-nanokompositbeläggningar på samma sätt. Resultaten avslöjar att CNF-nanokompositbeläggningen inte kan ge effektivt korrosionsskydd ens under 24 timmar. Det uppmätta R_p-värdet minskar snabbt över tiden och därigenom ökar vattenupptaget över tiden, vilket studerades med EIS. Den väsentliga skillnaden i korrosionsskyddande egenskaper hos CNC-nanokompositen och CNF-nanokompositen förklarades huvudsakligen från perspektivet av mikrostruktur, matris-CNC eller matris-CNF-interaktioner genom att använda svepelektronmikroskopi (SEM) och Fourier transform infraröd spektroskopi (FTIR). Resultaten visar att närvaron av defekter på ytan och i bulk och frånvaro av starka vätebindningar mellan matris-CNF i den beredda CNF-nanokompositbeläggningen bidrar till de dåliga barriäregenskaperna.

I själva verket kan en bra barriärbeläggning också förstöras på grund av yttre krafter som infallande fasta partiklar eller glidande rörelser mot andra föremål, vilket förstör beläggningens integritet. Därför studerades CNC-nanokompositbeläggningen ytterligare med fokus på dess nanomekaniska och nano-nötnings egenskaper med användning av (atomkraftsmikroskopi) AFM-teknik. Effekten av applicerad normal belastning från 50 - 400 nN, skanningshastighet från 1 - 20 um/s, typ av omgivning inklusive luft och vatten, samt exponering för korroderand 0,1 M NaCl-lösning, studerades och diskuterades systematiskt.