Нанотехнологии для АКЗ и полимерных покрытий
В начале стоит установить факторы, определяющие защитные свойства полимерных и лакокрасочных покрытий. В основном их три: барьерные свойства покрытий, адгезия покрытий к поверхности металла, содержание ингибиторов коррозии. Барьерные свойства подразумевают собой снижение покрытием диффузионных потоков химических соединений, участвующих в коррозионных процессах на поверхности металла: кислород, вода и ионы-активаторы коррозии (например, хлорид натрия).
Самые быстрые молекулы, проникающие через полимерные мембраны и достигающие поверхности металла, являются кислородом. Он участвует в катодном процессе коррозии металла. В зависимости от толщины и природы покрытия кислород достигает поверхности за 1-2 часа. Другой компонент, необходимый для коррозионного процесса, вода, ее молекулы достигают поверхности приблизительно за 20-30 часов. Вследствие того, что ионы-активаторы имеют заряд, они плохо растворяются в неполярном полимерном покрытии, а это увеличивает срок их диффузии на месяц. Однако для развития подпленочной коррозии необходимо небольшое содержание ионов активаторов, которые с самого начала могут находиться на поверхности металла. Таким образом, доставка кислорода и воды особенно важны.
Коррозия под покрытием может начаться через 20-30 часов, если существуют только диффузионные (барьерные) ограничения. Однако скорость коррозии значительно меньше, чем скорость диффузии молекул кислорода и воды. Превосходные покрытия производятся на заводских линиях (например coil-coatings, оцинкованная сталь с полимерными покрытиями). На этих материалах, при отсутствии дефектов, в течение нескольких лет не появляются признаки подпленочной коррозии.
Ингибирование коррозии достигается благодаря превосходной адгезии полимерного покрытия и его устойчивости к воздействию воды, поверхностным механическим напряжениям, смене температуры и т.д. Многие исследователи считают, что адгезия наиболее важный фактор из всех вышеперечисленных. Для увеличения адгезии поверхность металла предварительно обрабатывают, нанося конверсионные покрытия. В настоящее время проводят поиск новых соединений, замещающих канцерогенные хроматы. Это важное направление исследовательских работ. Для получения подобных слоев предлагается использовать соединения циркония, церия и молибдаты.
Как создаются и работают нанопокрытия? Наиболее распространенными наночастицами является двуокись кремния. Их в водят в полимерное покрытие в концентрации до 8% (по весу). Наночастицы имеют гидрофильную поверхность и для совместимости с гидрофобным полимером их поверхность обрабатывают алкоксисиланами. После этого совместимость улучшается, и наночастицы равномерно распределяются в покрытии, взаимодействуя с молекулами полимера. Введение наночастиц значительно увеличивает твердость покрытий, улучшает сопротивление к дефектам, снижает адсорбцию и взаимодействие покрытия с ультрафиолетовым излучением.
Уже проведено немало работ, показывающих, что нанопокрытия на основе полиуретана и эпоксидных резин с наночастицами двуокиси кремния и циркония значительно увеличивают барьерные свойства, время диффузии реагирующих компонентов к поверхности металла. В основном данные получены методом Спектроскопии Электрохимического Импеданса. Доказано, что наночастицы на 1-2 порядка увеличивают сопротивление покрытия вследствие снижения его пористости. Таким образом, наночастицы закрывают поры, что препятствует доступу водного электролита к поверхности металла. Кроме того, наночастицы снижают в два раза содержание воды в полимере.
Приведенные данные являются результатом краткосрочных экспериментов (экспозиция около 2 недель). Данные о свойствах нанопокрытий и их долгосрочной работе в коррозивных условиях пока отсутствуют. Работы по выявлению защитных свойств ведутся около 10 лет, однако определенные рекомендации по их производству и применению в строительной или автомобильной промышленности пока не появились в литературе. Можно предположить, что производители сталей и полимерных покрытий проводили испытания соответствующих систем, но при этом положительные свойства выявлены не были (относительно ныне выпускающихся систем).
Итак, наиболее важным фактором увеличения защитных свойств является повышенная адгезия в присутствии воды и механических напряжений. На это свойство наночастицы оказывают небольшое влияние. Однако механизм старения полимерных покрытий пока исследован не достаточно, поэтому, вполне возможно, что наночастицы смогут найти применение в будущем, например, для замедления деградации материала под действием окружающей среды.
В прошлом году завершился большой проект Евросоюза MULTIPROTECT, который продолжался 4 года, в него было вовлечено более 17 стран. Общий объем инвестиций составил 8 миллионов евро. Название проекта «Advanced environmentally friendly multifunctional corrosion protection by nanotechnology». Отчет о проделанной работе можно найти на сайте проекта.
При этом каких-либо новых и интересных свойств нанопокрытий, позволяющих продвинутся вперед в направлении антикоррозионной защиты, пока не было выявлено.
