Proteção eficaz: filmes finos anticorrosivos para estruturas metálicas

Desde o início do século 20, filmes finos têm sido explorados para proteção contra corrosão de metais. Através de muitas décadas de desenvolvimento, os filmes finos de hoje oferecem uma gama de características únicas para muitos tipos de aplicações industriais.

Nanocoatings são definidos como nanoestruturas com espessura na escala nanométrica. Em geral, as construções de película fina devem ter uma espessura na faixa de um mícron ou menos com características especiais na produção, desempenho e aplicação.1

A história dos filmes finos remonta a mais de um século, progredindo ao longo de muitas décadas. Por exemplo, a primeira deposição de carbono policristalino semelhante ao diamante foi alcançada em 1911, e a pesquisa ativa e o desenvolvimento de filmes finos de carbono amorfo (aC) foram feitos na década de 1970.2 Desde então, muitos outros tipos foram formulados com vários graus de sucesso. (Saiba mais sobre a composição de uma camada de tinta.)

Várias químicas de revestimento de película fina e uma gama completa de técnicas de aplicação produzem características de desempenho únicas, como anticorrosão, autolimpeza, resistência química e resistência a arranhões.3 A Figura 1 resume uma variedade de maneiras pelas quais os filmes finos podem ser produzidos e aplicados.

Figura 1. Técnicas de aplicação de filmes finos4

O desenvolvimento de pré-tratamentos anticorrosivos eficazes para substratos metálicos tem atraído muita atenção devido à sua capacidade de aumentar a durabilidade de estruturas e componentes metálicos em ambientes agressivos (por exemplo, aquoso, NaCl, HF, HCl, meios alcalinos).

Obstáculos regulatórios

Quando foram introduzidos pela primeira vez, os revestimentos convencionais de conversão de cromato (CCCs) eram considerados bons candidatos com base em seu desempenho de proteção contra corrosão. A natureza de autocorreção dos CCCs, a facilidade de aplicação e a alta condutividade elétrica contribuíram para a adoção precoce de revestimentos de cromato pela indústria. (Saiba mais no artigo Uma olhada nos óxidos metálicos de autocura como um método de prevenção de corrosão.)

No entanto, foi demonstrado que as fortes características de oxidação dos cromatos causam danos ao DNA humano e aumentam o risco de câncer de pulmão após a exposição. Consequentemente, a demanda por revestimentos mais ecológicos aumentou devido à rígida legislação ambiental e aos regulamentos rígidos sobre o uso de cromato hexavalente. (Descubra como escrever segurança em sua especificação de revestimento.)

Desenvolvimento de alternativas mais seguras

Filmes finos sem cromato foram introduzidos no final dos anos 90 como uma opção mais segura para melhorar a resistência à corrosão de componentes metálicos. Na formulação desses revestimentos, mais atenção foi dada ao design estatístico e à funcionalidade dos polímeros para garantir melhor uniformidade de reticulação durante a cura e melhorar o desempenho do filme.

Entre as novas técnicas de produção de filmes finos, o sol-gel foi avaliado positivamente para adesão tanto a substratos metálicos quanto a topcoats orgânicos para uso como intermediário. A produção economicamente viável é um fator crucial na escolha de revestimentos sol-gel para proteção contra corrosão.

A incorporação de nanopartículas em sistemas híbridos sol-gel melhora as propriedades de proteção contra corrosão como resultado de menor porosidade, aumento da espessura e redução do potencial de rachaduras, juntamente com propriedades mecânicas aprimoradas.4.5 A concentração de nanopartículas é um fator vital nas características de desempenho final.

Uma maneira de produzir filmes finos com propriedades de autocorreção e anticorrosão é adicionar componentes curativos, como inibidores de corrosão e elementos de terras raras. Ao controlar a taxa de liberação desses componentes curativos, a durabilidade do revestimento pode ser gerenciada.6

Além disso, as moléculas de automontagem fornecem desempenho de revestimento valioso com base em seu arranjo firme e regular na superfície do metal e são então polimerizadas. Assim, esta capacidade fornece uma camada extremamente flexível e fortemente ancorada para melhorar a adesão do revestimento, proteção contra corrosão e resistência mecânica e química.7

Nesse campo, os filmes finos à base de silano são outro tipo promissor que pode fornecer uma ampla gama de recursos úteis.8 Filmes de silano formados a partir de monômeros de silano em solução são tipos ecologicamente corretos que foram avaliados em diversos estudos.9

Os filmes finos à base de silano são representados como a seguinte estrutura:8

  1. R(CH)2)n Si X3 (1) (Onde R doa grupos organofuncionais, X3 é um grupo hidrolisável e (CH2) n cadeia alquil atua como ligante)
  2. R-Si-OR'+H2Ou ?R-Si-OH+R'-OH
  3. 2R-Si-OH?R-Si-O-Si-R+H2QUALQUER
  4. M-OH+R-Si-OH?MO-Si-R+H2QUALQUER

Nas equações 2 a 4, as notações R e R' são grupos funcionais metila ou etila, respectivamente. M significa metal. As equações 2 a 4 mostram a hidrólise e condensação dos filmes de silano, representados nas Figuras 2 e 3 abaixo.

Figura 2. Estrutura dos filmes de silano em diferentes estágios após a aplicação8

Figura 3. Ligação de agentes de acoplamento de silano à superfície mineral8

O filme fino final pode exibir adesão desejável ao substrato de metal devido à formação de ligações MO-Si quimicamente adsorvidas aos revestimentos orgânicos com a camada superior, escolhendo corretamente o grupo R. O filme resultante também fornece bom desempenho à corrosão devido à formação de uma estrutura óssea altamente densa (Si-O-Si) com base no grupo R selecionado.

Em suma, a corrosão é um fator importante que pode diminuir a eficiência de desempenho de componentes metálicos em vários campos. Esta questão crítica apresenta preocupações industriais de grande escala em infraestruturas de fornecimento de energia e sistemas de transporte e é comumente discutida para garantir a operação contínua e manter as eficiências desejáveis.

Várias técnicas têm sido exploradas para controlar, gerenciar e mitigar os fenômenos de corrosão, e os filmes anticorrosivos têm recebido muita atenção. Existem amplas aplicações de películas protetoras; por exemplo, em condições marítimas, películas anticorrosivas para zonas de salpicos, resistência a levantamentos e abrasão acima ou abaixo da água, películas compostas encapsuladas (dopantes com curadores), películas de proteção UV, etc., são alguns tópicos que prevalecem na estrutura marítima. manutenção. (Para um mergulho profundo, consulte Coatings for Marine Applications and Offshore Platforms.)

Vários experimentos foram projetados para testar a capacidade das estruturas metálicas de resistir a anos de exposição em ambientes hostis:

  • Técnicas eletroquímicas (espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) e medições de polarização, voltametria cíclica, potencial de circuito aberto)
  • Espectroscopia de retroespalhamento de Rutherford (RBS)
  • Espectroscopia eletrônica Auger
  • Microscopia de força atômica (AFM)
  • Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV)
  • Espectroscopia de Dispersão de Energia (EDS)
  • Moagem por Feixe de Íons Focados (FIB)
  • Difração de raios X (XRD)
  • Espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FT-IR)
  • Espectroscopia de Massa com Plasma Acoplado Indutivamente (ICP-MS)
  • XPS espectroscopia de fotoelétrons de raios X

Por meio desses métodos, os filmes finos são projetados especificamente para proteção ideal contra corrosão, bem como para maximizar a adesão do revestimento, gerar excelente resistência ao impacto e melhorar a abrasão, a flexibilidade e a resistência ao deslizamento em condições adversas.

Em uma ampla gama de pesquisas ao longo de muitas décadas, foi avaliada a melhoria da proteção de ferro e aço através da aplicação de películas anticorrosivas eficazes, de baixo VOC e livres de cromo. Neste campo, os filmes finos à base de silano são candidatos devido à sua excepcional capacidade de formar ligações fortes com substratos metálicos e, ao mesmo tempo, formar polímeros reticulados na superfície, que contribuem para revestimentos de forte conversão.

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