Преимущества интеллектуальных покрытий и нанотехнологий для предотвращения коррозии

  • admin
  • Комментариев нет
Преимущества интеллектуальных покрытий и нанотехнологий для предотвращения коррозии
  • Фото: Преимущества интеллектуальных покрытий и нанотехнологий для предотвращения коррозии

Текущие исследования в области нанотехнологий и так называемых интеллектуальных покрытий или интеллектуальных систем покрытия показывают большой потенциал для разработки новых высокоэффективных покрытий. (Для получения дополнительной информации по этой теме прочтите « Достижения в области покрытий: технология наночастиц и холодное напыление» .)

Исследования в области нанотехнологий и нанопокрытий

Исследования наноматериалов проводятся более чем в 30 странах, причем на США, Японию, Китай, Францию, Великобританию и Россию приходится 70% мировых научных работ по нанотехнологиям. Сегодня по всему миру проводятся многочисленные технические конференции на темы нанотехнологий и интеллектуальных покрытий. Хотя большая часть этих исследований остается в лаборатории, начинают появляться коммерческие приложения. По данным NANOfutures , центра европейской инициативы по устойчивому развитию с использованием нанотехнологий, мировой рынок нанотехнологий достиг 29 миллиардов долларов в 2010 году и, по прогнозам, вырастет до 498 миллиардов долларов к 2015 году, причем наибольший рост будут занимать покрытия. Ценность нанопокрытий По прогнозам, к 2015 году рынок достигнет 20 миллиардов долларов. По прогнозам, к 2015 году количество домашних хозяйств, использующих нанотехнологии, превысит 250 миллионов. Национальный научный фонд прогнозирует, что к 2015 году рынок нанотехнологий станет глобальным рынком с оборотом 1 триллион долларов в год.

В свете этих прогнозов роста как инженеры по нанесению покрытий, так и конечные пользователи должны иметь базовое понимание терминологии, процессов и используемых материалов. В этой статье рассматриваются текущие разработки в этих захватывающих новых областях.

Что такое нанотехнологии?

Нанотехнология – это исследование материи, имеющей физические размеры от 1 до 100 нм. (Нанометр составляет одну миллиардную метра: 1 нм = 10 -9 м.) Чтобы представить вещи в перспективе, ширина человеческого волоса составляет примерно 80 000 нм, а размеры атомов составляют от 0,1 до 0,3 нм.

Рисунок 1. Типичные размеры и формы наноматериалов. Умные покрытия и применение нанотехнологий в покрытиях

Рисунок 1. Типичные размеры и формы наноматериалов.

Сегодня нанотехнологии в индустрии покрытий включают:

  • Использование чрезвычайно мелких наночастиц вещества в качестве сырья в покрытиях.
  • Создание на месте сверхтонких наноструктур внутри покрытий.
  • Покрытия, которые сами по себе очень тонкие, такие как осажденные пленки (например, нанопленки)

Материалы и структуры, имеющие наноразмерные размеры, представляют большой интерес для науки и промышленности, поскольку было обнаружено, что они демонстрируют очень уникальные и неожиданные свойства материала из-за их относительно большой площади поверхности и, как следствие, очень высокого отношения площади поверхности к весу / массе по сравнению с обычные инженерные материалы.

Понимание умных покрытий как типа нанопокрытия

Умные покрытия по определению имеют встроенный интеллектуальный механизм, который позволяет покрытиям реагировать на раздражители окружающей среды. В процессе эксплуатации эти покрытия могут каким-либо образом изменяться, поэтому их внешний вид или защитные свойства улучшаются. (Прочтите, как планировать оценку состояния покрытий на предприятии, чтобы узнать, как определить условия окружающей среды, которым должна будет выдержать система покрытия)

Экологические стимулы для создания умных покрытий могут иметь физическую природу, например удар, или химическую, например, изменение pH. Обычно покрытие каким-либо образом активируется при восприятии раздражителей окружающей среды. Самовосстановления покрытие , например, может быть разработан , чтобы выпустить трещины-ремонта жидкого полимера , когда физически повреждены или коррозионно-стойкое покрытие может быть разработан , чтобы выпустить ингибитор коррозии , когда чувствительный рН изменения , как известно, происходит во время активных процессов коррозии.

Сообщается, что нанотехнологии и технологии интеллектуальных покрытий демонстрируют большие перспективы повышения производительности в ряде критических областей:

  • Возможность очистки / устойчивость к граффити
  • Необрастающий
  • Устойчивость к повреждениям или царапинам
  • Антибактериальный
  • Самостоятельный ремонт
  • Устойчивость к ультрафиолетовому излучению
  • Самостратификация
  • Адгезия
  • Гидрофобность
  • Анти туман
  • Устойчивость к коррозии
  • Непрозрачность (укрывистость)
  • Долговечность
  • Огнестойкость
  • Проводимость
  • Модификация трения
  • Особые эффекты цвета / внешнего вида
  • Фотокатализ

Покрытия с использованием нанотехнологий не обязательно являются «умными», а в «умных» покрытиях не обязательно используются нанотехнологии. Однако часто наблюдается значительное совпадение. Нанотехнологии могут открыть путь для разработки передовых систем интеллектуального покрытия, сделав новое наноразмерное сырье доступным для разработчиков покрытий. В этом отношении нанотехнологии и интеллектуальные покрытия дополняют друг друга.

Наконец, термины «нанотехнология» и «умный» сегодня являются модными словечками в индустрии покрытий и часто используются слишком свободно. Рекомендуется соблюдать осторожность при обзоре новых продуктов, основанных на нанотехнологиях или интеллектуальных технологиях.

Сравнение умных покрытий с обычными покрытиями

Существует значительный интерес к разработке систем покрытий, которые могут разумно или разумно реагировать на раздражители окружающей среды. Такие покрытия действительно представляют собой последние достижения в области передовых технологий нанесения покрытий.

Многие традиционные покрытия, такие как архитектурные краски для дома, представляют собой относительно простые пассивные или барьерные материалы. Эти продукты предназначены для защиты субстратов, действуя как физический барьер и / или для придания эстетических качеств, таких как цвет, блеск и текстура.

Функциональные покрытия и покрытия для оборудования , которые представляют собой следующий шаг в технологии покрытий, представляют собой покрытия, разработанные для более специализированных применений, часто за счет использования специализированных добавок для улучшения ключевых свойств, таких как коррозионная стойкость, огнестойкость, устойчивость к бактериям и т. Д. Например, покрытия часто состоят из малорастворимых ингибиторов коррозии, которые со временем могут выщелачиваться из пленки покрытия, подавляя процессы коррозии. В этом примере высвобождение ингибиторов коррозии происходит независимо от того, вероятно возникновение коррозии.

Рисунок 2. Функциональные покрытия для защиты от коррозии.

Рисунок 2. Функциональные покрытия для защиты от коррозии.

Интеллектуальные покрытия представляют собой шаг вперед по сравнению с традиционными функциональными покрытиями, поскольку они представляют собой активные материалы, которые изменяются в зависимости от воздействия окружающей среды, что приводит к улучшенным характеристикам. Функциональное покрытие, содержащее, например, слаборастворимые ингибиторы коррозии, будет считаться интеллектуальным покрытием, если высвобождение ингибиторов коррозии происходит только тогда, когда вероятна коррозионная активность. Преимущества этого будут очевидны с точки зрения уменьшенного истощения ингибитора и увеличения срока службы.

Экологические стимулы для умных покрытий могут иметь физическую природу, такую ​​как удар / повреждение, ультрафиолетовое разложение или смачивание поверхности, или химическую природу, такую ​​как взаимодействие с атмосферными газами , процессы коррозии или растворители . Ответы на покрытие для умных покрытий могут включать изменение цвета, высвобождение ингибитора, поверхностный катализ и так далее.

Примеры умных покрытий:

  • Самовосстанавливающиеся покрытия, содержащие микрокапсулы, заполненные полимером. Когда покрытие повреждено или потрескалось, высвобождается полимер, который физически устраняет повреждения.
  • Покрытия, ингибирующие коррозию, которые могут химически определять коррозионную активность и выделять ингибитор коррозии или каким-либо образом изменяться, чтобы стать более устойчивыми к коррозии
  • Покрытия, устойчивые к химическим агентам, меняющие цвет, сигнализирующие о присутствии химических агентов.
  • Настраиваемые покрытия для окон, регулирующие светопропускание в зависимости от интенсивности света.

Различие между умными и функциональными покрытиями очень важно. Часто покрытия, считающиеся интеллектуальными, лучше описывать как высокотехнологичные функциональные покрытия. Таким образом, большинство исследований сегодня основано на современных функциональных покрытиях, а не на действительно интеллектуальных системах. Однако концепция разработки покрытий, которые могут индивидуально реагировать на воздействие окружающей среды, безусловно, интригует, и это будет оставаться активной областью исследований. (Связанное чтение: Основные разработки в области нанопокрытий, которые необходимо знать для защиты от коррозии .)

Покрытия, содержащие жертвенный металл

Для коррозии железа необходимы кислород и вода. Ржавчина катализируется ионами хлора . Таким образом, хорошие барьерные свойства покрытия являются обязательными. Растрескивание полностью разрушит местные антикоррозионные свойства. Кислород и вода без сопротивления проникнут в нанотрещины и начнут разъедать поверхность. Самовосстанавливающиеся покрытия могут восстанавливать поверхность после появления небольших трещин. Еще лучший подход – в первую очередь предотвратить образование трещин. Углеродные нанотрубки (УНТ) и другие волокнистые наноматериалы, такие как нитевидные кристаллы карбида кремния , использовались с целью улучшения характеристик покрытий, содержащих жертвенный металл. Желательно, чтобы УНТ были функционализированы и химически связаны с полимером покрытия, таким как эпоксидная смола..

В конечном итоге, несмотря на использование УНТ и методов самовосстановления, покрытия в некоторой степени будут повреждены. Однако коррозию можно резко замедлить, включив в состав жертвенные частицы металла. Эти металлические частицы должны находиться в электрическом контакте с металлом подложки ; то есть их концентрация должна превышать порог перколяции, даже если они частично израсходованы. На практике для этого требуется более 60 об.% Жертвенных металлических частиц в покрытии. Однако целостность покрытия будет нарушена, если оно будет содержать столь высокую концентрацию твердых частиц. Эта проблема была частично решена путем добавления графита для увеличения электропроводности , так что количество металлических частиц может быть уменьшено.

Физическая вязкость и электропроводность могут быть оптимизированы одновременно за счет использования УНТ в антикоррозионных покрытиях. Частицы металла обеспечивают катодную защиту металла подложки, в то время как УНТ образуют проводящую сеть, так что все жертвенные частицы металла защищают подложку. Одновременно УНТ усиливают покрытие, уменьшая растрескивание. Цинк – оптимальный жертвенный металл для защиты стальных конструкций. При определенных условиях никель или кобальт могут предотвратить образование ржавчины, даже если они не препятствуют первоначальному окислению железа. Преимущество никеля и кобальта перед цинком в том, что они служат дольше.

Рисунок 3. Схема углеродных нанотрубок, соединяющих сталь и цинк эпоксидным связующим.

Рисунок 3. Схема углеродных нанотрубок, соединяющих сталь и цинк эпоксидным связующим.

Углеродные нанотрубки очень успешно использовались в эпоксидных покрытиях, наполненных расходуемыми металлами, в коррозионно-стойких покрытиях. Хотя такие покрытия (например, грунтовки с высоким содержанием цинка ) использовались в течение многих лет и, как считается, обладают отличными эксплуатационными характеристиками, они могут быть хрупкими и пористыми из-за высокой нагрузки расходуемого металла, необходимой для создания проводящих путей внутри покрытия. Включение УНТ в эти покрытия, как показано на рис. 3, позволяет использовать гораздо более низкие уровни жертвенного металла при сохранении проводимости и ингибирования коррозии.

Оцените эту запись:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.