Studie van het beschermend effect van corrosie-inhibitoren in organische deklagen op verzinkt staal

Hans Simillion
Persbericht

Studie van het beschermend effect van corrosie-inhibitoren in organische deklagen op verzinkt staal

Coatings die zichzelf herstellen met meervoudige functies

In het huidig tijdperk dat steunt op de technologische vooruitgang is een wereld zonder het gebruik van metalen ondenkbaar geworden. Een brede waaier van toepassingen rust op het gebruik van deze groep materialen. Denk hierbij maar aan alles wat met transport te maken heeft van personenwagens, industrieel transport tot lucht- en ruimtevaart, maar ook in de bouw worden metalen extensief gebruikt. Metalen zijn echter ook onderhevig aan corrosie, het proces dat verantwoordelijk is voor de degradatie van het materiaal. Om metalen te beschermen worden verflagen of coatings aangebracht die het metaal van een schadelijke omgeving moeten scheiden. Omdat deze coatings zelf ook onderhevig zijn aan slijtage moeten deze om de zoveel tijd worden hersteld of heraangebracht.

De Eiffeltoren, het perfecte voorbeeld van een stalen structuur, moet om de 7 jaar geschilderd geworden. Hierbij wordt elke keer 50 ton verf aangebracht om het metaal opnieuw voor een bepaalde termijn te beschermen. Stel je nu eens voor dat de coating zichzelf zou kunnen herstellen. Dit zou een enorme kostenbesparing opleveren. Het idee van een oppervlaktelaag die zichzelf herstelt na een kras of scheur is nog niet zo gek. Onze huid is namelijk ook een oppervlaktelaag, die van het menselijk lichaam. In het geval van een verwonding gaat de huid ook spontaan een helende werking uitvoeren. De huid herwint - op een litteken na - zijn initiële eigenschappen.

Meervoudige werking

Coatings die zichzelf herstellen nadat ze beschadigd zijn geraakt kunnen de materiaal-levensduur met meer dan 50% verlengen. Naast de economische factor betekent dit ook een verbetering op gebied van milieu-impact en duurzaamheid. Zelfhelende materialen zijn mogelijk geworden dankzij hoogtechnologisch onderzoek met onder andere de toepassing van nanotechnologie.

Het zelfherstel van een kras of scheur gebeurt in twee stappen: Ter hoogte van de beschadiging is het metaal blootgesteld aan de omgeving, het is hier met andere woorden vatbaar voor corrosie. Om dit onmiddellijk tegen te houden, worden anti-corrosiecomponenten of inhibitoren in de coating aangebracht (Figuur 1, links). Op het moment van een kras bewegen deze inhibitoren uit de coating naar het beschadigde metaaloppervlak. Daar aangekomen vervullen deze stoffen hun beschermende werking; namelijk het verhinderen van corrosie(Figuur 1, midden). Na deze eerste stap volgt een structurele heling van de coating zelf (Figuur 1, rechts). Hoe dit gebeurt hangt af van het type materiaal waaruit de coating is opgebouwd. Bijvoorbeeld bij opwarming wordt de coating deels opnieuw mobiel. De mobiele fasen vullen vervolgens de kras op; de initiële eigenschappen worden aldus hersteld.

 

Door de dubbele werking van de coating is zowel op korte termijn als op lange termijn bescherming verzekerd. Dit impliceert echter ook dat er 2 verschillende materialen bij elkaar gebracht moeten worden in de coating: enerzijds het materiaal dat de coating zelf vormt en anderzijds de inhibitor die hierin is aangebracht. Hier zit echter een paradox in verscholen: de inhibitor moet namelijk goed vast zitten in de coating om langdurige bescherming te waarborgen, maar tegelijkertijd moet die op het moment van een defect wel mobiel genoeg zijn om naar dat defect te bewegen. Eerst en vooral is een selectie van efficiënte inhibitoren vereist.

De zoektocht naar groene inhibitoren

Het oplossen van de inhibitoren in een primer wordt door de coatingindustrie op grote schaal reeds toegepast. In het verleden werden echter vooral chromaat-gebaseerde inhibitoren gebruikt omdat deze een uitstekende corrosiebescherming bieden. Deze stoffen zijn echter toxisch en kankerverwekkend van aard, waardoor ze ondertussen uit de meeste toepassingen zijn verbannen. Als gevolg hiervan is het onderzoek naar groene, milieuvriendelijke inhibitoren toegenomen.

Nanocontainers

Om een betere controle te krijgen en om de mogelijk nefaste invloed van de inhibitor op de coating zelf te vermijden, maakt men gebruik van nanocontainers. De inhibitor wordt eerst omhuld (Figuur 2) en vervolgens pas in de coating aangebracht. Een nanocontainer kan gezien worden als een soort holle capsule - met minuscuul kleine afmetingen - waarin de inhibitor aanwezig is. Hierdoor ontstaat een fysieke scheiding van beide componenten en zit de inhibitor toch nog vast in de coating. Wanneer er vervolgens een beschadiging plaatsvindt, kunnen de nanocontainers openscheuren en komt de inhibitor vrij om zijn beschermende rol uit te voeren.

Bovendien kunnen externe parameters het vrijkomen stimuleren, denk hierbij aan vocht dat door de beschadiging van de coating de nanocontainers bereikt en vervolgens de inhibitor door de poreuze wand van de nanocontainers laat komen. Een andere soort stimulans kan van het metaaloppervlak zelf komen zodat de inhibitor enkel vrijkomt wanneer de coating effectief beschadigd is.

Kostenbesparing en toekomstmogelijkheden

Het gebruik van verschillende typen nanocontainers zorgt ervoor dat het vrijkomen van de inhibitor kan worden gecontroleerd. Dit zorgt voor een selectieve werking van de inhibitor: enkel ter hoogte van defecten waar het staal vatbaar is voor corrosie komt de inhibitor vrij om zijn functie te vervullen. In het algemeen biedt dit een betere bescherming van het metaal en dit ook voor een langere tijd. Deze studie kadert in een breder onderzoek naar zelfhelende coatings en non-toxische en milieuvriendelijke corrosie-inhibitoren. De verlenging van de beschermende werking van de coating zorgt voor een verlengde levensduur van de onderliggende structuur. Dit komt de duurzaamheid ten goede omdat reparaties en vervangingen minder vaak moeten gebeuren. Daarbovenop betekent de verlenging van de levensduur ook een enorme kostenbesparing.

Dit onderzoek biedt nog tal van toekomstperspectieven aangezien duurzaamheid en milieu-impact meer en meer aan belang winnen in de ontwerpfase van materialen en producten. Enerzijds kunnen nieuwe inhibitoren met verbeterde eigenschappen de beschermingscapaciteit verhogen. Anderzijds kan verder onderzoek naar nanocontainers voor een verbeterde werking zorgen en de compatibiliteit met de coating zelf verhogen. Hierin is ook de optimalisatie van de coating zelf belangrijk omdat deze in de eerste plaats zorgt voor de barrière-eigenschappen en aldus heel sterk de corrosieweerstand van het metaal kan verhogen.

Bibliografie

 [ 1 ]   Roberge PR, (2008) Corrosion engineering: principles and practice. 1st ed. McGraw-Hill

[ 2 ]   Takeno N Atlas of Eh-pH diagrams. In. (2005). Japan NIAIST

[ 3 ]   Association AG,  (2012) Paint Over Galvanized Steel Duplex Systems. wwwgalvanzeitorg

[ 4 ]   Koch GH,  (2002) Corrosion Costs and Preventative Strategies in the United States. Mater Perform 42 (Supplement)

[ 5 ]   Fund IM,  (Retrieved 2012-04-21) Nominal 2011 GDP for the world and the European Union. World Economic Outlook Database April 2012

[ 6 ]   McCafferty E, (2010) Introduction to Corrosion Science. Springer

[ 7 ]   Brett CMA, Brett AMO, (1993) Electrochemistry: Principles, Methods, and Applications. Oxford University Press

[ 8 ]   Fontana MG, (1986) Corrosion engineering. McGraw-Hill

[ 9 ]   Schweitzer PA, (2006) Fundamentals of Metallic Corrosion: Atmospheric And Media Corrosion of Metals. Taylor & Francis

[ 10 ] Kessler MR, Sottos NR, White SR,  (2003) Self-healing structural composite materials. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 34:743-753

[ 11 ] Wu DY, Meure S, Solomon D,  (2008) Self-healing polymeric materials: A review of recent developments. Progress in Polymer Science 33:479-522

[ 12 ] Wilson GO, Moore JS, White SR, Sottos NR, Andersson HM,  (2008) Autonomic Healing of Epoxy Vinyl Esters via Ring Opening Metathesis Polymerization. Advanced Functional Materials 18:44-52

[ 13 ] Scheltjens G, Brancart J, Graeve I, Mele B, Terryn H, Assche G,  (2011) Self-healing property characterization of reversible thermoset coatings. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 105:805-809

[ 14 ] Chung CM, Roh YS, Cho SY, Kim JG,  (2004) Crack healing in polymeric materials via photochemical 2+2 cycloaddition. Chemistry of Materials 16:3982-+

[ 15 ] Roberge PR, (2000) Handbook of corrosion engineering. McGraw-Hill

[ 16 ] Calbo LJ, (1987) Handbook of Coatings Additives. M. Dekker

[ 17 ] Sastri VS, (2011) Green Corrosion Inhibitors: Theory and Practice. John Wiley & Sons

[ 18 ] Hughes AE, Cole IS, Muster TH, Varley RJ,  (2010) Designing green, self-healing coatings for metal protection. NPG Asia Materials 2:143-151

[ 19 ] Ashok K, L.D. S, J.N. M,  (2005) Self-healing coatings for steel. Progress in Organic Coatings 55:244-253

[ 20 ] Poznyak SK, Tedim J, Rodrigues LM, Salak AN, Zheludkevich ML, Dick LF, Ferreira MG,  (2009) Novel inorganic host layered double hydroxides intercalated with guest organic inhibitors for anticorrosion applications. ACS Appl Mater Interfaces 1:2353-2362

[ 21 ] Newman,  (1998) Synthesis, characterization and applications of layered double hydroxides containing organic guests. New J Chem:105-115

[ 22 ] Zheludkevich ML, Shchukin DG, Yasakau KA, Möhwald H, Ferreira MGS,  (2007) Anticorrosion Coatings with Self-Healing Effect based on nanocontainers impregnated with corrosion inhibitor. Chem Mater 19:402-411

[ 23 ] Chen H, He J, Tang H, Yan C,  (2008) Porous Silica Nanocapsules and Nanospheres: Dynamic Self-Assembly Synthesis and Application in Controlled Release. Chem Mater 20:5894-5900

[ 24 ] Maia F, Tedim J, Lisenkov AD, Salak AN, Zheludkevich ML, Ferreira MG,  (2012) Silica nanocontainers for active corrosion protection. Nanoscale 4:1287-1298

[ 25 ] Bastos AC, Yasakau KA, Zheludkevich ML, Ferreira MGS, Micro-potentiometry and micro-amperometry as complements to svet in corrosion research.

[ 26 ] Parker SP, (2003) McGraw-Hill dictionary of scientific and technical terms. McGraw-Hill

[ 27 ] Haines PJ, Chemistry RSo, (2002) Principles of Thermal Analysis and Calorimetry. Royal Society of Chemistry

[ 28 ] Bierwagen G, Tallman D, Li JP, He LY, Jeffcoate C,  (2003) EIS studies of coated metals in accelerated exposure. Progress in Organic Coatings 46:148-157

[ 29 ] Hu R-G, Zhang S, Bu J-F, Lin C-J, Song G-L,  (2012) Recent progress in corrosion protection of magnesium alloys by organic coatings. Progress in Organic Coatings 73:129-141

[ 30 ] Alvarez-Pampliega A, Lamaka SV, Taryba MG, Madani M, De Strycker J, Tourwé E, Ferreira MGS, Terryn H,  (2012) Cut-edge corrosion study on painted aluminum rich metallic coated steel by scanning vibrating electrode and micro-potentiometric techniques. Electrochimica Acta 61:107-117

[ 31 ] Bastos AC, Zheludkevich ML, Ferreira MGS,  (2008) A SVET investigation on the modification of zinc dust reactivity. Progress in Organic Coatings 63:282-290

[ 32 ] Simões AM, Bastos AC, Ferreira MG, González-García Y, González S, Souto RM,  (2007) Use of SVET and SECM to study the galvanic corrosion of an iron–zinc cell. Corrosion Science 49:726-739

[ 33 ] Bastos AC, Simões AM, Ferreira MGS,  (2003) Corrosion of electrogalvanized steel in 0.1M NaCl Studied by SVET. Electrochimica Acta 21:371-387

[ 34 ] Goldstein J, (2003) Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis. Kluwer Academic/Plenum Publishers

[ 35 ] Ferraro JR, Nakamoto K, Brown CW, (2003) Introductory Raman Spectroscopy. Academic Press

[ 36 ] Sharma B, Frontiera RR, Henry AI, Ringe E, Van Duyne RP,  (2012) SERS: Materials, applications, and the future. Materials Today 15:16-25

[ 37 ] Albrecht MG, Creighton JA,  (1977) ANOMALOUSLY INTENSE RAMAN-SPECTRA OF PYRIDINE AT A SILVER ELECTRODE. Journal of the American Chemical Society 99:5215-5217

[ 38 ] Yang H, Sun Y, Ji J, Song W, Zhu X, Yao Y, Zhang Z,  (2008) 2-Mercaptobenzothiazole monolayers on zinc and silver surfaces for anticorrosion. Corrosion Science 50:3160-3167

[ 39 ] Benali OL, L., Tabti B, Harek Y,  (2005) Influence of 1-methyl 2-mercapto imidazole on corrosion inhibition of carbon steel in 0.5M H2SO4. Anti-corrosion methods and materials 52:280-285

[ 40 ] Tedim J, Poznyak SK, Kuznetsova A, Raps D, Hack T, Zheludkevich ML, Ferreira MGS,  (2010) Enhancement of Active Corrosion Protection via Combination of Inhibitor-Loaded Nanocontainers. Acs Applied Materials & Interfaces 2:1528-1535

[ 41 ] Zheludkevich ML, Poznyak SK, Rodrigues LM, Raps D, Hack T, Dick LF, Nunes T, Ferreira MGS,  (2010) Active protection coatings with layered double hydroxide nanocontainers of corrosion inhibitor. Corrosion Science 52:602-611

[ 42 ] Newman SP, Jones W,  (1999) Comparative Study of Some Layered Hydroxide Salts Containing Exchangeable Interlayer Anions. Journal of Solid State Chemistry 148:26-40

[ 43 ] Kuang Y, Zhao L, Zhang S, Zhang F, Dong M, Xu S,  (2010) Morphologies, Preparations and Applications of Layered Double Hydroxide Micro-/Nanostructures. Materials 3:5220-5235

[ 44 ] Reichle WT,  (1986) Synthesis of anionic clay minerals (mixed metal hydroxides, hydrotalcite). Solid State Ionics 22:135-141

Universiteit of Hogeschool
Master in de ingenieurswetenschappen: Chemie en materialen
Publicatiejaar
2012
Share this on: