Nanomateriály proti korózii kovov

Nanomateriály proti korózii patria medzi intenzívne skúmané oblasti modernej materiálovej vedy. Nanočastice, nanokompozity a ultratenké vrstvy môžu meniť spôsob, akým ochranný systém bráni vode, kyslíku a agresívnym iónom dostať sa ku kovovému povrchu.

Korózia kovov sprevádza technické materiály prakticky od okamihu, keď sa dostanú do kontaktu s prostredím vhodným pre elektrochemické reakcie. Oceľové konštrukcie, automobily, potrubia, lode, energetické zariadenia či komponenty v priemysle sú počas svojej životnosti vystavené vode, kyslíku, soliam, zmenám teploty a ďalším látkam, ktoré môžu korózne procesy urýchľovať.

Tradičným riešením je oddeliť kov od okolitého prostredia ochrannou vrstvou. Moderný výskum však ide ďalej. Nanomateriály proti korózii umožňujú upravovať štruktúru ochranných vrstiev na veľmi malej mierke a kombinovať pasívnu bariéru s ďalšími funkciami.

Podobne ako pri iných oblastiach nanotechnológie nejde o jeden univerzálny materiál. Ak vás zaujíma širšie využitie nanomateriálov, pozrite si aj predchádzajúci článok Nanotechnológia v ochrane pamiatok , ktorý ukazuje ich použitie v úplne inom materiálovom prostredí.

Prečo kovy korodujú

Korózia je prirodzený fyzikálno-chemický proces, pri ktorom kov reaguje so svojím okolím a postupne prechádza do energeticky stabilnejšej formy. Pri železe a oceli si výsledok často predstavujeme ako hrdzu, no korózne procesy sa týkajú aj hliníka, medi, zinku, horčíka a ďalších kovov a zliatin.

V mnohých prípadoch má korózia elektrochemický charakter. Na kovovom povrchu vznikajú oblasti, v ktorých prebiehajú anódové a katódové reakcie. Voda alebo iný elektrolyt umožňuje prenos iónov a celý proces môže pokračovať.

Výrazný vplyv majú napríklad chloridové ióny, ktoré sa nachádzajú v morskej vode alebo posypovej soli. Problémom môžu byť aj vysoká vlhkosť, kyslé alebo zásadité prostredie, priemyselné znečistenie či opakované teplotné cykly.

Ochrana preto nespočíva iba v tom, aby bol povrch prekrytý. Dôležité je čo najviac obmedziť cestu, ktorou sa voda, kyslík a agresívne ióny môžu dostať ku kovu.

Ako fungujú nanomateriály proti korózii

Jednou z hlavných výhod nanomateriálov je ich veľmi malý rozmer a vysoký pomer povrchu k objemu. Po vhodnom zabudovaní do povlaku môžu meniť jeho hustotu, mechanické vlastnosti, priľnavosť alebo transport kvapalín a iónov.

Moderné nanomateriály proti korózii môžu fungovať viacerými mechanizmami súčasne. Jedným z najjednoduchších je bariérový efekt. Nanočastice alebo vrstvené nanomateriály vytvoria v povlaku komplikovanejšiu cestu, ktorou musí voda alebo agresívny ión preniknúť k podkladu.

Namiesto relatívne priameho prenikania cez polymérnu vrstvu musí molekula alebo ión obchádzať množstvo veľmi malých častíc a vrstiev. V materiálovom inžinierstve sa tento mechanizmus často opisuje ako predĺženie alebo zvýšenie „kľukatosti“ difúznej cesty.

Tento princíp opisuje aj odborný prehľad o nanokompozitných organických povlakoch na ochranu kovov , podľa ktorého vhodné nanomateriály môžu znižovať pórovitosť povlaku a predlžovať cestu, ktorou korozívne látky prenikajú k povrchu kovu.

Oxidické nanočastice v ochranných povlakoch

Veľkú skupinu skúmaných materiálov predstavujú anorganické oxidické nanočastice. Vo výskume antikoróznych povlakov sa objavujú napríklad oxid kremičitý SiO₂, oxid titaničitý TiO₂ alebo oxid céru CeO₂.

Ich úlohou môže byť zhutnenie štruktúry povlaku, zvýšenie mechanickej stability, zlepšenie adhézie alebo ovplyvnenie transportu látok cez ochrannú vrstvu. Niektoré systémy dokážu kombinovať viac mechanizmov.

Výsledné správanie však závisí od veľkosti častíc, ich koncentrácie, chemickej úpravy povrchu, spôsobu disperzie a od materiálu, do ktorého sú zabudované. Pri vysokom obsahu nanočastíc sa môžu vytvárať zhluky, ktoré predstavujú potenciálne defekty.

Grafén a ďalšie uhlíkové nanomateriály

Výraznú pozornosť získal grafén. Ide o uhlíkový materiál s veľmi tenkou vrstevnatou štruktúrou, ktorý má zaujímavé mechanické, elektrické aj bariérové vlastnosti.

V antikoróznych systémoch môže grafén alebo grafénoxid vytvárať pre vodu, kyslík a ióny veľmi komplikovanú difúznu cestu. Práve preto sa grafénové materiály skúmajú ako súčasť polymérnych nanokompozitných povlakov.

Grafén má aj svoje limity

Predstava, že jedna ultratenká grafénová vrstva automaticky zabezpečí dokonalú ochranu kovu, je príliš zjednodušená. Reálne vrstvy môžu obsahovať mikrodefekty, trhliny, hranice zŕn alebo nedokonale pokryté miesta.

Grafén je navyše elektricky vodivý. Pri nevhodnej konfigurácii systému môže vodivé spojenie grafénu s určitými kovmi podporiť lokálne elektrochemické procesy. Dlhodobá korózna odolnosť preto závisí od spôsobu zabudovania grafénu, jeho modifikácie, orientácie a od toho, či je elektricky izolovaný od kovového podkladu.

Aj preto sú dnes predmetom výskumu skôr sofistikované grafénové nanokompozity než jednoduchá predstava dokonale nepriepustnej jednej vrstvy.

Nanokompozitné povlaky a kľukatá cesta pre koróziu

Nanokompozit vzniká kombináciou základnej matrice, napríklad polyméru, s materiálom v nanoškále. Výhodou je možnosť spojiť vlastnosti viacerých materiálov v jednej ochrannej vrstve.

Predstavme si klasický polymérny povlak ako vrstvu, cez ktorú sa molekuly vody postupne snažia preniknúť. Ak sú v tejto vrstve rovnomerne rozptýlené vhodné nanočastice alebo tenké vrstvené materiály, priama cesta sa predlžuje.

Tento bariérový mechanizmus patrí medzi základné dôvody, prečo sa nanomateriály proti korózii skúmajú ako prísady do ochranných náterov. Výhodou môže byť aj mechanické spevnenie vrstvy a zníženie tvorby niektorých mikropórov.

Kľúčové slovo je však rovnomerne. Zlá disperzia nanočastíc môže vytvoriť lokálne slabé miesta a znížiť prínos, ktorý mal nanomateriál pôvodne priniesť.

Samoregeneračné nanomateriály proti korózii

Ešte zaujímavejšou oblasťou sú inteligentné alebo samoregeneračné povlaky. Bežný antikorózny náter funguje prevažne ako pasívna bariéra. Ak sa mechanicky poškodí a odkryje kov, ochranný účinok v danom mieste výrazne klesá.

Pri inteligentnom povlaku môžu byť v materiáli rozptýlené mikroskopické alebo nanometrické zásobníky obsahujúce aktívnu látku. Označujú sa ako mikro- alebo nanokontajnery.

Zmena lokálneho pH, kontakt s vodou alebo samotné mechanické poškodenie môže spustiť uvoľnenie látky, ktorá potlačí koróznu reakciu alebo pomôže obnoviť ochrannú funkciu vrstvy.

Pasívna ochrana sa mení na aktívnu

Rozdiel je zásadný. Klasická bariéra sa iba snaží oddeliť kov od prostredia. Inteligentný systém môže reagovať na zmenu podmienok a aktivovať ochranný mechanizmus práve v mieste, kde vzniká problém.

Výskum pokračuje aj smerom k systémom reagujúcim na viac podnetov, napríklad na vlhkosť, pH alebo mechanické poškodenie. Z laboratórneho konceptu však ešte automaticky nevzniká univerzálny priemyselný povlak. Potrebné je overovať dlhodobú stabilitu, kompatibilitu jednotlivých zložiek a schopnosť systému fungovať počas reálnej životnosti výrobku.

Nová generácia 2D nanomateriálov

Grafén nie je jediným dvojrozmerným materiálom, ktorý sa skúma pri ochrane kovov. Vývoj sa venuje aj hexagonálnemu nitridu bóru, dichalkogenidom prechodných kovov a materiálom označovaným ako MXény.

MXény tvoria skupinu veľmi tenkých vrstevnatých materiálov na báze karbidov, nitridov alebo karbonitridov prechodných kovov. Ich štruktúra umožňuje upravovať povrchovú chémiu a kombinovať bariérové vlastnosti s ďalšími funkciami.

Aj tu však platí rovnaké upozornenie ako pri graféne. Elektrická vodivosť, oxidácia materiálu, interakcia s kovovým podkladom a stabilita v reálnom prostredí môžu byť výhodou aj problémom. Výsledok závisí od návrhu celého ochranného systému.

Kde sa nanomateriály proti korózii využívajú

Korózia predstavuje problém prakticky všade, kde sa používajú kovové materiály. Výskum nanoštruktúrnych antikoróznych systémov preto zasahuje množstvo priemyselných oblastí.

• Automobilový priemysel – karosérie, podvozkové časti a kovové komponenty.
• Letecký priemysel – ľahké zliatiny vystavené náročným prevádzkovým podmienkam.
• Námorná doprava – kovové konštrukcie v prostredí s vysokým obsahom chloridov.
• Energetika – potrubia, zásobníky, technologické zariadenia a konštrukcie.
• Stavebníctvo a infraštruktúra – oceľové konštrukcie, mosty a ďalšie exponované prvky.
• Priemyselné zariadenia – stroje a komponenty vystavené vlhkosti alebo agresívnym chemickým podmienkam.

Nie každý z týchto príkladov používa rovnaký typ nanomateriálu. Ochranný systém pre hliníkovú leteckú zliatinu môže mať úplne iné požiadavky ako povlak oceľovej konštrukcie vystavenej morskej vode.

Aké sú limity nanotechnológie pri ochrane kovov

Pri čítaní o nových materiáloch môže vzniknúť dojem, že nanočastice automaticky riešia problém korózie. Realita je komplikovanejšia.

Laboratórne výsledky je potrebné preniesť do výroby, kde musí materiál fungovať na veľkej ploche, pri rozdielnych teplotách, mechanickom namáhaní a počas rokov prevádzky.

Pri nanomateriáloch proti korózii preto nemožno hodnotiť iba samotnú nanočasticu. Rozhodujúce je správanie celého systému počas jeho reálnej životnosti.

Ako vedci zisťujú, či nano povlak funguje

Koróznu odolnosť nemožno spoľahlivo posudzovať iba vizuálne. Materiál môže na prvý pohľad vyzerať neporušene, hoci na rozhraní medzi kovom a povlakom už prebiehajú elektrochemické procesy.

Výskum preto využíva napríklad elektrochemickú impedančnú spektroskopiu, polarizačné merania, testy v soľnej hmle, cyklické klimatické skúšky či mikroskopické metódy.

Elektrochemické metódy môžu ukázať, ako jednoducho prechádza náboj cez rozhranie a ako sa ochranné vlastnosti menia počas času. Výsledky sa následne kombinujú s analýzou štruktúry, adhézie, hrúbky vrstvy a vzniknutých defektov.

Budúcnosť ochrany kovov môže byť inteligentná

Najväčší potenciál nanotechnológie pravdepodobne nespočíva v jednej „zázračnej“ nanočastici. Vývoj smeruje k multifunkčným ochranným systémom, ktoré kombinujú viac princípov.

Budúci povlak môže vytvárať fyzickú bariéru, obsahovať inhibítor korózie, reagovať na poškodenie, obmedzovať šírenie trhliny a súčasne signalizovať, že sa ochranná vrstva začína meniť.

Práve spojenie bariérovej ochrany, aktívnej inhibície, samoregeneračných mechanizmov a senzorických funkcií predstavuje jednu z najzaujímavejších oblastí výskumu.

Nanomateriály proti korózii teda nie sú náhradou všetkých existujúcich antikoróznych metód. Sú skôr nástrojom, pomocou ktorého možno klasické ochranné povlaky meniť na presnejšie navrhnuté a funkčne komplexnejšie materiálové systémy.

Často kladené otázky