Ανθεκτικότητα οργανικών επικαλύψεων που περιέχουν αναστολείς διάβρωσης

Abstract

Το αντικείμενο αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η εκτίμηση της ανθεκτικότητας των οργανικών επικαλύψεων που περιέχουν πτητικούς αναστολείς διάβρωσης και η μελέτη του βαθμού της αντιδιαβρωτικής προστασίας που παρέχουν αυτές οι επικαλύψεις στην επιφάνεια του χάλυβα. Ειδικότερα, διερευνήθηκε αρχικά η δυνατότητα προσρόφησης ενός πτητικού αναστολέα, με κύριο δραστικό συστατικό μίγμα αλκανολαμινών, σε χημικά καθαρή επιφάνεια σιδήρου από ηλεκτρολυτικά διαλύματα NaCl 3,5% κ.ο που περιείχαν τον αναστολέα σε διαφορετικές συγκεντρώσεις (0-4% κ.ο) αντίστοιχες αυτών που χρησιμοποιούνται σε αντιδιαβρωτικά επιστρώματα. Στη συνέχεια στα παραπάνω ηλεκτρολυτικά διαλύματα, με διαφορετικές συγκεντρώσεις του πτητικού αναστολέα, προσδιορίστηκε ο βαθμός προστασίας που παρέχει ο πτητικός αναστολέας στη μεταλλική επιφάνεια μέσω του πειραματικού προσδιορισμού του ρεύματος διάβρωσης καθώς και η εξάρτηση του ρεύματος διάβρωσης από τη συγκέντρωση του αναστολέα. Τέλος, προσδιορίστηκε με αυτά τα διαλύματα το κλάσμα επικάλυψης της μεταλλικής επιφάνειας από τον αναστολέα, η εξάρτηση του κλάσματος επικάλυψης από τη συγκέντρωσή του καθώς και η κινητική της προσρόφησης. Η παρουσία και παραμονή του αναστολέα στη μεταλλική επιφάνεια επιβεβαιώθηκε οπτικά με μικροσκοπικές παρατηρήσεις(SEM-EDAX). Η εκτίμηση της αντιδιαβρωτικής προστασίας που παρέχουν τόσο ο ροφημένος πτητικός αναστολέας στην μεταλλική επιφάνεια όσο και οι επικαλύψεις που περιέχουν πτητικό αναστολέα μελετήθηκε σε δύο είδη χαλύβων, σε χάλυβα οπλισμού σκυροδέματος και σε επίπεδα δοκίμια χάλυβα (St32) που εκτέθηκαν σε περιβάλλον ατμόσφαιρας και υδατικό διάλυμα NaCl 3.5% κ.ο. Η αντιδιαβρωτική συμβολή του πτητικού αναστολέα σε διάφορες συγκεντρώσεις μελετήθηκε σε δύο συστήματα οργανικών επικαλύψεων (VCI και VCIN). Για λόγους σύγκρισης μελετήθηκε η προστασία που προσφέρεται σε δοκίμια με επίστρωμα που περιέχει ανόργανο μετατροπέα οξειδίων του σιδήρου(RU), καθώς και με επικάλυψη με συμβατικό αντιδιαβρωτικό αστάρι(AΣ). Όλα τα συστήματα συγκρίθηκαν και ως προς δοκίμια αναφοράς δηλαδή δοκίμια χημικά καθαρισμένα και χωρίς επικάλυψη. Η αποτελεσματικότητα και ο χαρακτηρισμός των αντιδιαβρωτικών ιδιοτήτων των επικαλύψεων εκτιμήθηκε με τις ακόλουθες μεθόδους: • Μέτρηση αντίστασης γραμμικής πόλωσης • Καμπύλες Tafel • Μεταβολή του δυναμικού διάβρωσης σε συνάρτηση με το χρόνο • Σταθμικός προσδιορισμός της απώλειας μάζας Η ανθεκτικότητα των οργανικών επικαλύψεων VCI και VCIN που περιέχουν πτητικούς αναστολείς διάβρωσης μελετήθηκε μέσω της εκτίμησης των φυσικοχημικών τους ιδιοτήτων.

• Διαπερατότητα σε υδρατμούς • Διαπερατότητα σε νερό Επίσης εξετάστηκαν οι μηχανικές ιδιότητες των δύο αυτών επικαλύψεων καθώς και του συμβατικού αντιδιαβρωτικού ασταριού: • Μέτρηση πρόσφυσης με την μέθοδο cross cut • Μέτρηση πρόσφυσης με την μέθοδο pull of. • Αντοχή σε κάμψη (Conical Mandrel)

Συμπερασματικά από την παρούσα διδακτορική διατριβή προκύπτει ό,τι : • από τη μελέτη του μηχανισμού δράσης του πτητικού αναστολέα στη διεπιφάνεια μετάλλου αναστολέα αποδεικνύεται ότι: • ο αναστολέας προσροφάται στο μέταλλο μειώνοντας την ενεργή επιφάνειά του επιβραδύνοντας τη διάβρωση του μετάλλου. • Ο μέγιστος βαθμός προστασίας επιτυγχάνεται για συγκεντρώσεις αναστολέα 3-4%. • Η προσρόφηση του αναστολέα ακολουθεί με ικανοποιητική ακρίβεια την ισόθερμη Langmuir και ως εκ τούτου μπορεί να θεωρηθεί ότι στην επιφάνεια του μετάλλου σχηματίζεται ένα μονομοριακό στρώμα όπου τα μόρια της προσροφημένης ουσίας δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. • από τη μελέτη των συστημάτων των οργανικών επικαλύψεων που περιέχουν πτητικό αναστολέα προκύπτει ότι: • οι οργανικές επικαλύψεις που περιέχουν πτητικούς αναστολείς διάβρωσης, προσδίδουν ιδιαίτερα αξιόλογη αντιδιαβρωτική προστασία στον χάλυβα. • Η προσθήκη των πτητικών αναστολέων στη σύνθεση των επικαλύψεων δεν επηρεάζει τις φυσικοχημικές – μηχανικές ιδιότητες αυτών των επικαλύψεων. • Στην παρατηρούμενη ελάττωση και εξαφάνιση από το εμπόριο των οργανικών επικαλύψεων που περιέχουν στη σύνθεσή τους τοξικά συστατικά όπως, επιταρτοξείδιο του μολύβδου και χρωμικά άλατα, οι πτητικοί αναστολείς διάβρωσης μπορούν να είναι με την προσθήκη τους στη σύνθεση των επικαλύψεων εξαιρετική εναλλακτική επιλογή. • Οι οργανικές επικαλύψεις με πτητικούς αναστολείς διάβρωσης, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ευρύτερα σε κατασκευές δομικού χάλυβα αλλά και σε χάλυβα οπλισμού σκυροδέματος στις αναμονές των οικοδομών. • Επίσης θα ήταν δυνατή η χρησιμοποίηση αυτών των οργανικών επικαλύψεων και για την προστασία του χάλυβα οπλισμού σκυροδέματος στο σκυρόδεμα, αλλά στην περίπτωση αυτή παρατηρείται μια απώλεια συνάφειας του σκυροδέματος στον οπλισμό περίπου στο 10%.

The aim of this thesis is the study of the resistance of organic coatings containing volatile corrosion inhibitors and their anticorrosive performance when applied to steel surfaces. In particular, the potential absorption ability of a volatile corrosion inhibitor (VpCI) on a chemically clean steel surface was initially investigated. The volatile corrosion inhibitor contained, as the main ingredient, a mixture of alkanolamines and studied at NaCl-inhibitor solutions with different concentrations (0-4% v/v) of inhibitor similar to those used to manufacture organic coatings in industry. On the above electrolyte solutions the efficiency of corrosion inhibition on steel was estimated by experimentally calculating the corrosion current density as well as the dependence of the corrosion current on the inhibitor concentration. Finally, the degree of surface coverage and its dependence on the inhibitor concentration were also estimated. In addition, the adsorption parameters were studied and determined by the adsorption isotherm that describes the inhibition action. The inhibition effect of different inhibitor concentrations were observed on the steel surface using scanning electron microscopy. The corrosion protection on a steel surface, offered by both the adsorbed inhibitor and the organic coatings containing a volatile corrosion inhibitor, were studied on two types of steel, i.e. concrete reinforcement bars and flat plate test panels of St32 steel which were exposed to the atmospheric environment and immersed on aqueous solution of NaCl 3.5% v/v.

The anticorrosive behavior of the volatile corrosion inhibitor in two organic coating systems (VCI and VCIN) was studied. For reasons of comparison, the protection offered both by a coating system based on rust converter technology and a commercial anticorrosive primer were studied. All coating systems were compared to standard specimens with uncoated and chemically clean surfaces. The effectiveness and characterization of the resulting anticorrosive properties of the studied coatings were evaluated using the following methods: • Linear Polarisation Resistance technique • Tafel technique, • Half- cell potential measurements vs time. • Weight loss measurements The resistivity of the organic coating systems with volatile corrosion inhibitors (VCI and VCIN) were studied through the estimation of their physicochemical properties. • Vapor-water transmission rate • Liquid water transmission rate Also, the mechanical properties of these two coating systems were evaluated in comparison with the rust converter coating system. • Estimation of coating system adhesion by the cross cut test • Estimation of coating system adhesion by the pull-off test • Estimation of coating system flexibility by the Conical mandrel bend test.

Summarizing the main outcomes from this thesis it is concluded that:

1. from the study of the action mechanism of volatile corrosion inhibitors at the metal-inhibitor interface it is proved that: • the inhibitor is adsorbed at the metal surface reducing the active surface thus slowing down corrosion. • the maximum degree of protection is achieved for inhibitor concentrations of 3-4%. • the adsorption of the inhibitor on the steel surface obeys a Langmuir adsorption isotherm and therefore it can be assumed that a thin mono molecular protective film is formed at the metal surface. 2. from the study of the organic coating systems containing volatile inhibitors it is concluded that: • these coating systems offer significant protection to steel against the different environments that they were exposed. • the addition of vapor phase corrosion inhibitors in their formulation does not affect the physicochemical and mechanical properties of the coatings. • As reduction and even disappearance from the coating manufacturing industry of toxic anticorrosion pigments such as chromates, has manifested, the incorporation of VpCI’s in the manufacturing of coatings provide an excellent alternative. • Such coatings can be widely used for steel structures but also for the protection of the lap splicing length of longitudinal concrete reinforcement bars. In the latter case, a 10% reduction in bonding between rebars and concrete was observed.