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.