Korozja to proces, a raczej ogólna nazwa wielu procesów fizycznych, chemicznych i elektrochemicznych, w efekcie których zniszczona zostaje mikrostruktura materiału. Zjawisko to jest szczególnie powszechne dla różnego typu elementów wykonanych z metalu - miedzi, aluminium, stali. Pojawienie się na metalowej powierzchni śladów korozji, sugeruje konieczność podjęcia szybkiej interwencji antykorozyjnej. Często w takim wypadku konieczna jest wymiana uszkodzonego przez korozję elementu na nowy. Zjawiska korozji w dzisiejszych czasach praktycznie nie da się wykluczyć (możliwe jest tylko ograniczanie negatywnych skutków), gdyż korozję metalu może wywoływać równie łatwo słona woda, jak i zanieczyszczone chemicznie powietrze. Co roku straty powodowane przez korozję rosną, obecnie globalne roczne zniszczenia wywołane tym procesem szacowane są na prawie 300 miliardów dolarów! Z tego też względu korozja jest jednym z ważniejszych globalnych problemów. Szczęśliwie, równie szybko następuje postęp nauki i rozwój nowoczesnych technologii, w tym nanotechnologii, dzięki czemu powstają nowe, bardziej wydajne metody ograniczania skutków korozji.

Superhydrofobowe powierzchnie zabezpieczają miedź
Miedź należy do metali powszechnie używanych w przemyśle, również budowlanym. Doskonałe właściwości elektryczne stawiają ten metal w czołówce materiałów, jakie używane są przy tworzeniu elektrycznych sieci energetycznych i układów elektronicznych. Materiał ten od dawna wykorzystywany jest jako trwałe pokrycie dachów. Od kilkunastu lat obserwowany jest renesans rur miedzianych, które niemal całkowicie wyparły z rynku rury żeliwne wykorzystywane przy tworzeniu instalacji ogrzewczych. Miedź jest bezpieczna i  trwała,  jednak  także  elementy  wykonane  z  miedzi  -  jak  z  każdego  innego  metalu - podlegają niszczącemu procesowi korozji. By ograniczyć negatywny  wpływ korozji na właściwości zarówno  mechaniczne,  jak  i  elektryczne,  naukowcy opracowali szereg metod antykorozyjnego  zabezpieczania  powierzchni  miedzi  (np.  farby  antykorozyjne).  Przykładem  nowoczesnej  i  bardzo  przyjaznej  środowisku  metody  ograniczania  korozji  jest  opracowana  przez  chińskich  naukowców  technologia  antykorozyjnego  zabezpieczania  miedzi, wykorzystująca zjawisko superhydrofobowości, czyli efekt lotosu.  Materiały superhydrofobowe to takie,  na  powierzchni  których  krople  wody  przybierają  formę  niemal  idealnych  kul. Naukowo rzecz ujmując, kąt zwilżenia  (czyli  kąt  mierzony  pomiędzy  powierzchnią kropli, a płaszczyzną na  której  się  ona  znajduje)  w  przypadku  powierzchni  superhydrofobowych  wynosi nie mniej niż 150 stopni. Doskonałym  naturalnym  przykładem  powierzchni o właściwościach superhydrofobowych  jest  liść  kwiatu  lotosu.  Woda na jego powierzchni przybiera postać  idealnie  kolistych  kropli,  dzięki  czemu  z  łatwością  spływa,  pozostawiając  powierzchnię  liścia  zawsze  suchą  oraz  czystą  (spływające  krople  wody  zbierają cząstki kurzu z syperhydrofobowej powierzchni liścia). Podobne właściwości  ma  powierzchnia  miedzi  zabezpieczona  antykorozyjnie  za  pomocą  kwasu  tetradekanowego,  który  naniesiony na powierzchnię tego metalu tworzy nanostrukturalną warstwę ochronną. Kwas n-tetradekanowy,  zwany  także  kwasem  mirystynowym,  należy  do  grupy  związków  chemicznych określanych jako nasycone kwasy  tłuszczowe,  które  w  strukturze  cząsteczki  nie  zawierają  podwójnego  wiązania pomiędzy atomami węgla. Proces  zabezpieczania  powierzchni  miedzi  kwasem  mirystynowym  nie  jest  skomplikowany  i  nie  wymaga  stosowania  kosztownych  urządzeń.  Oczyszczony  i odtłuszczony fragment metalu należy  zanurzyć w alkoholowym (etanolowym)  roztworze kwasu n-tetradekanowego na  czas  około  10  dni.  Reakcja  przebiega  w  temperaturze  otoczenia,  25  stopni  Celsjusza, popularnie określanej temperaturą pokojową. Po półtoratygodniowej  kąpieli  na  powierzchni  miedzi  samoczynnie powstają nanostruktury kwasu tłuszczowego o grubości około 100 nanometrów  oraz  szerokości  i  maksymalnej długości (odpowiednio) 2 i 6 mikrometrów. Nanometr to miliardowa, a mikrometr to milionowa część metra. Nanostruktury  pokrywające  powierzchnię  metalu  przypominają  swym  wyglądem  makroskopowe kwiatostany. Dzięki trójwymiarowości kwiatokształtnych struktur powstają nanownęki, wewnątrz których gromadzi się powietrze, a to powoduje  znaczne  zmiany  właściwości  powierzchni  zmodyfikowanej  miedzi,  która staje się superhydrofobowa, o kącie  zwilżenia  równym  158  stopni!  Co  więcej,  modyfikacja  ta  wydaje  się  być  trwała,  gdyż  mierzony  kąt  zwilżenia  miedzi nie ulega zmianie nawet po miesięcznym  zanurzeniu  metalu  w  słonej  morskiej wodzie. Dokładne badania wykazały, iż powstająca w procesie samooganizacji nanometrycznej grubości antykorozyjna  warstwa  kwasu  n-tetradekanowego, skutecznie zabezpiecza  miedź  przed  niekorzystnym  wpływem  słonej  wody.  Jest  to  możliwe  dzięki  ograniczeniu  dostępu  jonów  chlorkowych  do  powierzchni  metalu  poprzez  fizyczną barierą, jaką tworzą nanostruktury  kwasu  tłuszczowego  oraz  zgromadzone  pomiędzy  nimi  powietrze.  Sól  (chlorek sodu) zawarta w morskiej wodzie, a dokładnej jony chloru, to jeden z bardzo aktywnych czynników wywołujących  korozję  wielu  metali,  w  tym  i miedzi. Metoda  zabezpieczania  miedzi  za  pomocą  nanowarstwy  kwasu  mirystynowego  jest  przyjazna  środowisku,  a  jednocześnie  skuteczna  i  tania.  Stanowi  nowoczesny  i  wręcz  doskonały  sposób  walki  z  korozją  w  przypadku  elementów  metalowych  będących  w stałym kontakcie ze słoną wodą. Dodatkowym atutem nowej metody jest jej  prostota, dzięki czemu praktycznie bez  problemów może ona być wdrożona na  skalę przemysłową. 

Rdza na stali nie ma szans - nanokompozytowe powłoki antykorozyjne
Stal rdzewieje, to wie każdy. Problem  korodowania  stalowych  elementów  eksponowanych  na  niekorzystny  wpływ  otoczenia (np. substancje chemiczne zawarte  w  powietrzu,  a  popularnie  określane jako zanieczyszczenie środowiska,  czy  też  słoną  wodę),  jest  szczególnie  ważny dla wszelkich budowlanych konstrukcji  stalowych,  od  których  jakości  częstokroć zależy ludzkie życie. Zastosowanie najnowszych osiągnięć  nanotechnologii pozwala na znaczą redukcję  szybkości,  z  jaką  stal  ulega  degradacji. Jednym  z  nowszych  pomysłów  na  antykorozyjne  zabezpieczenie  stalowych  konstrukcji  jest  impregnacja  powierzchni  stali  za  pomocą  organicznych  powłok  kompozytowych.  Użycie  nanopreparatów  dodatkowo  zwiększa  antykorozyjną  skuteczność  tego  typu  powłok. Spośród wielu substancji chemicznych, polianilina (PANI, ang. polyaniline), organiczny polimer o doskonałych  właściwościach  elektrycznych  (bardzo  dobre  przewodnictwo  prądu  elektrycznego i elektroaktywność), stanowi  swego  rodzaju  antykorozyjny  hit  ostatnich  kilku  lat.  Sama  polianilina  znana jest od wieków. Dawniej polimer  ten (określany wówczas jako czerń anilinowa)  szeroko  stosowany  był  w  charakterze  barwnika.  Dokładne  naukowe  badania właściwości polianiliny trwają  już od kilkudziesięciu lat i prowadzone  są  obecnie  w  wielu  laboratoriach,  w  tym  i  w  Polsce,  gdzie  inicjatorem  prac (w owym czasie pionierskich również  na  świecie)  był  jeden  z  autorów  niniejszego  artykułu  (JJL).  Tajemnice  polianiliny  do  dziś  odkrywane  są  w kierowanej przez niego Pracowni Fizykochemii  Materiałów  i  Nanotechnologii  w  Śremie  -  jednostce  badawczej  Wydziału  Chemii  Uniwersytetu  im.  Adama Mickiewicza w Poznaniu. PANI,  choć  nie  zachwyca  kolorem  (standardowa  barwa  polianiliny  to  mieszanina  ciemnej  zieleni  oraz  granatu),  doskonale zabezpiecza metal przed korozją. Właściwości antykorozyjne tego polimeru stanowią od połowy lat 90. tematykę badań wielu instytutów naukowych  na całym świecie, gdyż problem korozji  jest problemem globalnym! Wytworzenie zabezpieczającej powłoki z użyciem polianiliny wymaga zastosowania dodatkowego medium, jako nośnika i stabilizatora, gdyż materiał ten bezpośrednio naniesiony na powierzchnię metalu z łatwością zostałby zeń starty. Stąd też PANI doskonale nadaje się jako dodatek do różnego rodzaju farb antykorozyjnych. Czysta polianilina nie tylko ogranicza rozwój korozji, ale również pełni funkcję prewencyjną - w miejscach, gdzie uszkodzona została zabezpieczająca powłoka np. poprzez zarysowanie powierzchni, zawarta w otoczeniu rysy polianilina generuje pasywną strefę ochronną, która zmieniając warunki elektrochemiczne w okolicy rysy, uniemożliwia rozwój korozji. Sam dodatek polianiliny do warstwy ochronnej, choć skutecznie wydłuża „żywotność" zabezpieczanego metalu, po jakimś czasie ulega jednak zużyciu, co skutkuje pojawieniem się korozji na powierzchni metalu. By zwiększyć skuteczność i trwałość ochrony antykorozyjnej stali, naukowcy z National Chemical Laboratory (Indie) opracowali nanokompozytowe powłoki, w składzie których znaleźć można dwutlenek tytanu oraz wcześniej wspomnianą polianilinę w postaci nanocząstek, czyli cząstek o nanometrycznym rozdrobnieniu. Dzięki zastosowaniu na nocząstek, aktywna powierzchnia preparatu radykalnie ulega zwiększeniu, gdyż na jednakowej powierzchni zmieści się znacznie więcej nanocząstek (o znacznie większej łącznej powierzchni) w porównaniu do mikrocząstek tej samej substancji. Co więcej, zazwyczaj użycie nanomateriałów pozwala na redukcję ilości stosowanego preparatu, co znacznie ogranicza koszty produkcji i użycia preparatu. W przeprowadzonych analizach okazało się, iż najbardziej wydajną ochronę uzyskać można stosując preparat zawierający zaledwie 4,2% nanocząstek dwutlenku tytanu opłaszczonych polianilinową nanowarstwą. Tego typu hybrydowe nanocząstki o średnicy około 100 nanometrów zawieszone zostały w polimerze nośnym PVB (ang. polyvinyl butaral), tworząc antykorozyjny lakier, który naniesiony na powierzchnię stali prowadzi do powstania warstwy ochronnej o lekko metalicznym połysku. Procedura zabezpieczania stali wymaga półminutowej kąpieli oczyszczonego metalu w polimerowym roztworze nanocząstek. Następnie całość należy osuszyć przez 30 minut i wygrzać w stosunkowo niewysokiej temperaturze 50 stopni Celsjusza przez 4 godziny. W efekcie końcowym na powierzchni stali powstaje gładka, około 15 mikrometrowej grubości, ochronna warstwa. Tak zabezpieczona próbka stali poddana została testom na uleganie korozji. W tym celu fragment metalu zanurzony został na około 90 godzin w roztworze wodnym chlorku sodu o podwyższonej temperaturze (65 stopni Celsjusza). Warunki te w skutkach odpowiadają bezustannemu oddziaływaniu na stal czynników generujących korozję w temperaturze zbliżonej do 25 stopni Celsjusza (określanej popularnie, jako temperatura pokojowa) przez okres 800 godzin, czyli ponad 33 dni! Po tym czasie na powierzchni stali zabezpieczonej kompozytową warstwą nanocząstek dwutlenku tytanu i polianiliny nie było widocznych objawów korozji. Obserwacje te potwierdziły badania elektrochemiczne, dzięki którym możliwe było określenie szybkości rozwoju korozji na tak ochronionej stali. Według naukowców, na zabezpieczonej powierzchni metalu w skali roku może powstać co najwyżej mikrometrycznej grubości warstwa korozyjna, która przy dłuższym czasie ekspozycji nie powinna się już powiększać. Tajemnica skuteczności nanoochrony stali tkwi w potrójnym antykorozyjnym działaniu nanocząstek wchodzących w skład nowego zabezpieczającego kompozytu. Po pierwsze, warstwa ta - jak każda inna - mechaniczne odgradza czynniki korozjogenne od powierzchni metalu, a zastosowanie nanocząstek dodatkowo zwiększa jej szczelność. Dalej, zawarte w ochronnej powłoce nanocząstki dwutlenku tytanu wraz z polianiliną zmieniają właściwości elektrochemiczne powierzchni, przez co nie powstają warunki fizykochemiczne korzystne dla zapoczątkowania i rozwoju procesu niszczenia metalu. I wreszcie, nawet jeżeli ochronna warstwa zostanie uszkodzona, dodatek polianiliny lokalnie „zasklepi" uszkodzenie, hamując postęp korozji. Według autorów odkrycia, tego typu kompozytowe powłoki mogą być stosowane zarówno jako antykorozyjne podkłady, na powierzchni których nanoszone byłyby kolejne warstwy lakieru, jak i w formie pojedynczej warstwy zabezpieczającej, w przypadku metalowych konstrukcji, gdzie estetyka nie jest priorytetową sprawą, np. przemysłowe konstrukcje stalowe.

Nanotechnologia to nie tylko „czysta" nauka
Postęp technologiczny obserwowany jest praktycznie w każdej dziedzinie życia. Stąd też niezwykle ważna jest wspólna wymiana doświadczeń pomiędzy światem nauki oraz przemysłu tak, by tandem ten mógł jeszcze sprawniej przyczyniać się do tworzenia nowych, nowoczesnych rozwiązań, stosowanych między innymi w budownictwie. Nanotechnologia dopiero od kilku lat wkracza w fazę zastosowań praktycznych, a już dziś widać ogromny potencjał, jaki drzemie w technologiach opartych na materiałach, których struktura kontrolowana jest w skali miliardowych części metra (nanomateriały, materiały nanostrukturalne).

mgr Krzysztof Langer, prof. dr hab. Jerzy J. Langer
Uniwersytet im. A. Mickiewicza w Poznaniu, Wydział Chemii,

więcej na www.builder.pl

powrót

Liczba wyświetleń: 1196