Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός νανοσύνθετων υλικών για εφαρμογή τους σε προστατευτικές επιστρώσεις μετάλλων

Abstract

Η διάβρωση, αποτελεί μία μορφή υποβάθμισης των υλικών που οι άνθρωποι καλούνται να αντιμετωπίσουν καθημερινά. Το κόστος που αναλογεί σε διαδικασίες συντήρησης και επισκευής κατασκευών που πλήττονται από διαβρωτικά φαινόμενα υπολογίζεται ότι είναι περίπου το 3% του παγκόσμιου ΑΕΠ, αν και οι ερευνητές σε όλο τον κόσμο προσπαθούν να το μειώσουν ή εξαλείψουν εδώ και αιώνες. Γενικά, τα αντίμετρα κατά της διάβρωσης είναι οι αναστολείς διάβρωσης και οι οργανικές επικαλύψεις. Οι αναστολείς διάβρωσης είναι ουσίες που αλληλεπιδρούν με την μεταλλική επιφάνεια υπό διαβρωτική επίθεση και σχηματίζουν ένα λεπτό χημικό ή φυσικοχημικό προστατευτικό στρώμα προς το νερό, το οξυγόνο και άλλα διαβρωτικά είδη. Οι οργανικές επικαλύψεις είναι δίκτυα πολυμερών, τα οποία εφαρμόζονται επί της επιφάνειας μετάλλων που λειτουργεί ως φραγμός έναντι διαβρωτικών παραγόντων. Αναπόφευκτα όμως, αυτοί οι μηχανισμοί πρόληψης κατά τη διάρκεια ζωής κάθε προϊόντος, αποτυγχάνουν και η διάβρωση ξεκινά ως μία καταστρεπτική διαδικασία. Για να αντιμετωπιστεί αυτό το πρόβλημα, έχει αναπτυχθεί μια ομάδα "έξυπνων" υλικών που έχει την ικανότητα να ανακτά τουλάχιστον σε ένα βαθμό τις ιδιότητές του ειδικά στην περίπτωση τέτοιων συμβάντων που προκαλούν διάβρωση. Τα αυτο-επουλωτικά ή αυτοϊασσόμενα επιχρίσματα στοχεύουν στην απελευθέρωση της απαραίτητης ποσότητας αναστολέων διάβρωσης ή στην αποκατάσταση των ιδιοτήτων φραγμού των επικαλύψεων αν έχει παρουσιαστεί κάποιο ελάττωμα. Έτσι, η διάρκεια ζωής του προϊόντος θα μπορούσε θεωρητικά να αυξηθεί δραστικά, καθώς η διάβρωση θα μπορούσε να αντιμετωπιστεί πολύ καλύτερα. Ωστόσο, η τεχνολογική καινοτομία έχει περιοριστεί μέχρι τώρα, λόγω των διαφόρων ειδικών απαιτήσεων των επιχρισμάτων ώστε να εισαχθούν τέτοιου είδους εκλεπτυσμένα συστήματα στην αγορά. Mέσω αυτής της διδακτορικής διατριβής, γίνεται μία πρόταση ενός τύπου επίστρωσης με ιδιότητες αυτοΐασης που μπορεί να αποκαθιστά τις ιδιότητες φραγμού της με ένα αυτόνομα ενεργοποιημένο σύστημα παρεμποδίσεως της διάβρωσης σε μια ενιαία επικάλυψη πολλαπλών δράσεων αυτοΐασης. Οι δύο μηχανισμοί αυτοθεραπείας έχουν συγκεκριμένα την ικανότητα αντιστάθμισης των μειονεκτημάτων μεταξύ τους. Σωματίδια δημητρίας τροποποιήθηκαν επιφανειακά με ένα δισυσταδικό πολυμερές και εν συνεχεία με ιόντα δημητρίου. Η μία από τις δύο συστάδες, αποτελούμενη από πολυμερές χαμηλής θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσης, επιλέχθηκε προς ανάμειξη σε ελεύθερη μορφή με την εποξειδική ρητίνη σε ένα από τα δύο προτεινόμενα συστήματα. Ως εκ τούτου, ένα πολυμερές το οποίο μπορεί να ανακτήσει το σχήμα του κατά τη θέρμανση, ενσωματώθηκε με δύο τρόπους στα επιλεχθέντα επιχρίσματα επί γαλβανισμένου χάλυβα (HDG). Αυτός ο συνδυασμένος μηχανισμός αυτοθεραπείας, καθώς και οι δύο μηχανισμοί αυτο-επούλωσης εξετάστηκαν με (τοπικές) ηλεκτροχημικές και επιφανειακές αναλυτικές τεχνικές για να μελετηθούν οι ιδιότητες αναστολής της διάβρωσης. Η φασματοσκοπία σύνθετης ηλεκτροχημικής αντίστασης (EIS) δείχνει την ανάκτηση των ιδιοτήτων φραγμού των επικαλύψεων όταν δημιουργείται μία τεχνητή χαραγή. Παρόμοια αποτελέσματα διαπιστώθηκαν και μέσω της τοπικής φασματοσκοπίας σύνθετης ηλεκτροχημικής αντίστασης (LEIS) όπως και μέσω της τεχνικής δονούμενου ηλεκτροδίου (SVET). Ο μηχανισμός ανάκτησης σχήματος επαληθεύτηκε με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) μετά τη θερμική επεξεργασία των επιστρώσεων. Μέσω της τεχνικής EIS αποδείχθηκε η ανάκτηση ιδιοτήτων φραγμού σε αυτά τα δείγματα λόγω του δεύτερου φυσικού θερμικά ενεργοποιημένου μηχανισμού αυτοεπούλωσης. Η μελέτη μέσω νανοεντύπωσης έδωσε σημαντικά στοιχεία για τις μηχανικές ιδιότητες και τη δομή των επιχρισμάτων. Αυτά τα αποτελέσματα αποδεικνύουν ότι ο συνδυασμός δύο τύπων αυτοθεραπευτικών συστημάτων σε ένα σύστημα αυτοθεραπείας πολλαπλών δράσεων λειτουργεί και ότι έτσι μπορούν να αναπτυχθούν (ακόμη περισσότερο) προηγμένες αυτο-επουλωτικές επικαλύψεις για περαιτέρω μείωση των επιβλαβών επιδράσεων της διάβρωσης.