Nanotechnologia dla zapobiegania korozji

Wśród podstawowych problemów przemysłu, które do tej pory nie zostały skutecznie wyeliminowane, z pewnością bardzo wysoką pozycję zajmuje korozja. Czy nanotechnologie umożliwią jej skuteczne wyeliminowanie?

W ostatnich tygodniach naukowcy ze znajdującego się w niemieckim Saarbrücken Leibniz Institute for New Materials zaprezentowali kompozytową powłokę antykorozyjną składającą się z rozpuszczalnika, spoiwa oraz nanocząstek. Najistotniejszym składnikiem nowej technologii jest ten trzeci element, a to dlatego, że mikroskopijne nanopłytki mają zdolność organizowania się w wielowarstwową strukturę o bardzo wysokiej wytrzymałości. Jak informuje portal rynekfarb.pl, nową powłokę można nanosić natryskowo na elementy o różnych kształtach i rozmiarach. Nie mają w tym wypadku większego znaczenia trudne warunki atmosferyczne, agresywne chemicznie gazy, sól, tarcie czy też wysokie ciśnienia – nowa nanopowłoka powinna sobie z nimi poradzić i dzięki temu chronić powierzchnię m.in. przed korozją spowodowaną przez agresywne roztwory wodne, takie jak kwaśne deszcze. Nie może więc dziwić fakt, że nowe powłoki z niemieckiego ośrodka badawczego wywołały duże zainteresowanie całej branży antykorozyjnej.

Jedno z oryginalnych rozwiązań antykorozyjnych, wykorzystujące nanotechnologię, stworzone zostało przez chińskich naukowców. Jego podstawą jest zjawisko superhydrofobowości, określane jako „efekt lotosu”. W uproszczeniu polega ono na tym, że dzięki zastosowaniu odpowiedniej powierzchni materiału krople wody (lub innych cieczy) formują się na nim w niemal idealne kule. Dzięki temu mogą one spływać z danej powierzchni, pozostawiając ją w gruncie rzeczy suchą. Podobne właściwości ma zyskiwać także powierzchnia miedzi w momencie, w którym zostanie naniesiony na nią kwas tetradekanowy. Dzięki temu problemy związane z korozją zostają właściwie wyeliminowane, a przynajmniej znacznie ograniczone.

Innego rodzaju rozwiązaniem jest tworzenie tzw. inteligentnych lakierów. Charakteryzują się one tym, że reagują na dynamiczne warunki zmieniające zabezpieczaną powierzchnię, np. wilgoć, zabrudzenia lub zadrapania. W wykorzystującym nanotechnologię lakierze uwalniane zostają środki chemiczne umieszczone w cząsteczkach lakieru, dzięki czemu powierzchnia zostaje zabezpieczona przed efektami korozji. Co istotne w tym wypadku, po zakończeniu całego procesu na poziomie budowy cząsteczkowej lakier ma powracać do pierwotnego kształtu.

Materiały z atomów
Powstawanie innowacji związanych z nanotechnologią w kontekście powłok antykorozyjnych jest w pewnym sensie oczywiste i zrozumiałe. Przyczyną tego jest samo zjawisko korozji polegające w dużym uproszczeniu na różnego typu reakcjach chemicznych na poziomie cząsteczkowym, a w efekcie zniszczeniu mikrostruktury danego materiału. Sposobu na właściwe zabezpieczenie należy więc poszukiwać właśnie w nanotechnologiach.

Nanotechnologia związana jest z opracowywaniem, wytwarzaniem i wykorzystywaniem materiałów, których struktury, cząsteczki, włókna lub płytki posiadają rozmiary mniejsze niż 100 nanometrów (100×10-9 m; dla porównania ludzki włos ma średnicę 80 tys. nm). Mogą one umożliwiać wiele innowacji w technologiach motoryzacyjnych, energetycznych, elektronicznych, konstrukcyjnych czy też medycznych. Nanotechnologia jest uważana za dziedzinę nauki najbardziej pożyteczną dla wielu gałęzi gospodarki, ponieważ pozwala na tworzenie i komponowanie nowych i praktycznych rozwiązań na poziomie cząstek i atomów.

Jak mówi dr Andreas Glenz, prezes zarządu firmy Prevac sp. z o.o., specjalizującej się w tworzeniu aparatury badawczej: „Każde urządzenie przeznaczone jest do innych celów. By te cele zrealizować, najpierw musimy stworzyć medium w próżni, żeby następnie wewnątrz niej elektrony, jony i fotony mogły się swobodnie poruszać. W środku komór próżniowych odbywają się właściwe procesy, w których trakcie jesteśmy w stanie nanosić różne warstwy, komponować różne materiały z pojedynczych atomów, cząsteczek i później te materiały testować. Dla przykładu do próżni w zakresie 10-12 mbar, czyli praktycznie próżni kosmicznej, wprowadzany jest materiał, substrat, próbka różnej wielkości, od kilku milimetrów do kilku cali. Następnie za pomocą źródeł wzbudzających elektrony są wybijane z orbit atomowych tych materiałów. Właściwie wymieniamy tylko elektrony, nie dotykając materiału niczym fizycznym”.

Co niezwykle istotne, bardzo wiele rozwiązań możliwych dzięki nanotechnologii pozostaje w dalszym ciągu do odkrycia. Jednocześnie nowe koncepcje techniczne, które zostają wypracowane, mają bezpośrednie przełożenie na konkretne rozwiązania w wielu obszarach: zarówno w medycynie, jak i przemyśle, a także życiu codziennym. Nie dziwi więc fakt, że możliwości, które daje aparatura tworzona przez firmy takie jak Prevac, wykorzystywane są m.in. do walki z korozją. Jest tak dzięki temu, że poprzez działanie na poziomie nanocząstek różnego typu materiały i ich właściwości mogą zostać skutecznie i wieloaspektowo zmieniane, a w dalszej kolejności również udoskonalane. Umożliwia to tworzenie nowych rozwiązań, pozwalających na skuteczną walkę z korozją, będącą jednym z podstawowych problemów, na których wyeliminowaniu zależy wszystkim poszczególnym gałęziom przemysłu.

Armia na wojnie z korozją
Ciekawą kwestię dotyczącą korozji zauważa Wojciech Sokólski z Polskiego Stowarzyszenia Korozyjnego: „Mówiąc o korozji, używa się terminologii wojennej. Z korozją się raczej walczy, niż jej przeciwdziała. Niestety częściej się bronimy (chronimy), niż atakujemy, by zadać jej śmierć. Do walki z tym zjawiskiem wytaczamy cały arsenał różnego rodzaju środków i metod, których jedynym celem jest przedłużenie żywotności oraz zachowanie integralności i cech użyteczności zabezpieczanych przedmiotów metalowych. I w tej walce osiągamy zadziwiające sukcesy widoczne w życiu codziennym. Ale niestety ta walka kosztuje, i to dużo, bo batalia trwa nieustannie, od narodzin (produkcji) do śmierci (złomowania)”.

Jaka jest skala zjawiska i ile tak naprawdę kosztuje walka z korozją, trudno obliczyć. World Corrosion Organization podaje, że roczne koszty kształtują się na poziomie 1,8 bln dolarów. Jest to ponad 3% światowego PKB! Dane te są szacunkowe, bo wiele z nich w wypadku sporej liczby gałęzi przemysłu nie zostaje ujawnionych. Odzwierciedlają one więc przede wszystkim bezpośrednie koszty korozji, w tym materiałów, urządzeń i usług bezpośrednio związanych z naprawą, konserwacją i wymianą części oraz urządzeń dotkniętych tym procesem. Dane te nie obejmują czynników takich jak np. szkody w środowisku, marnotrawstwo zasobów czy też strat w produkcji. Są one więc w rzeczywistości znacznie wyższe.

Nie dziwi więc fakt, że w skali globu w walce z korozją uczestniczy bardzo wiele środowisk naukowych, a także wiele gałęzi przemysłu. Jednocześnie przeciwko niej wytaczane są coraz to nowe działa, które skutecznie przedłużają życie różnych metali i innych materiałów. O tym, ile osób jest zaangażowanych w szukanie rozwiązań tego problemu, świadczy działalność NACE International (The National Association of Corrosion Engineers). Do tej działającej od ponad 70 lat organizacji należy obecnie 33 tys. osób ze 116 krajów świata. Wśród nich znajdują się naukowcy specjalizujący się m.in. w procesach chemicznych, systemach wodnych, infrastrukturze i transporcie, ale również szefowie firm i specjaliści reprezentujący wiele gałęzi przemysłu, przedstawiciele społeczności lokalnych itd.

Głównym celem działalności NACE International jest rozwijanie technologii antykorozyjnych w celu ochrony przed tym negatywnym i kosztownym procesem. W ramach organizacji działa kilkaset komitetów technicznych. Prowadzi ono także szereg szkoleń związanych z przeciwdziałaniem korozji, certyfikację fachowców w tej dziedzinie, a także organizuje coroczną konferencję połączoną z wystawą. Za każdym razem uczestniczy w niej kilkuset wystawców i 5–7 tys. odwiedzających.

Nie może więc dziwić fakt, że cały czas powstają nowe rozwiązania techniczne, które pozwalają na prowadzenie coraz bardziej skutecznej walki z korozją. Umożliwia to przede wszystkim nanotechnologia, w której w ostatnich latach dzieje się szczególnie wiele.

Kolejny etap rewolucji?
O tym, że poszukiwanie rozwiązań antykorozyjnych w obszarze nanotechnologii będzie się w dalszym ciągu dynamicznie rozwijać, świadczy szereg prac badawczych takich potentatów jak BASF. Aktualnie koncern zatrudnia ponad 10 tys. osób, które pracują nad nowymi technologiami. Realizuje się 3 tys. projektów badawczych w zespołach międzynarodowych i interdyscyplinarnych. W skali globu BASF współpracuje z ponad sześciuset uniwersytetami, instytutami badawczymi i firmami.

Wśród rozwiązań, nad którymi koncern obecnie pracuje, znajduje się w pierwszej kolejności nanotechnologia. Głównymi obszarami badań BASF są nanopory (bardzo wydajne materiały izolacyjne), mikrokapsułkowanie preparatów złożonych z aktywnych komponentów, grafen (mogący przyczynić się do postępów technologicznych w zakresie organicznych diod elektroluminescencyjnych), a także filtry kolorów (wykorzystywane w ekranach laptopów, komputerów i telewizorów).

Również inni producenci działający w skali międzynarodowej poszukują nowych rozwiązań w obszarze innowacji dla szeroko rozumianej branży powłok antykorozyjnych. Sto – koncern mający swoją siedzibę w Niemczech i specjalizujący się w produkcji systemów ociepleniowych oraz wysokojakościowych powłok elewacyjnych i wewnętrznych – wprowadził na rynek farbę StoColor Dryonic. Ma ona stanowić nową generację inteligentnych powłok elewacyjnych. Jej dużym atutem jest ponoć dobra przyczepność. Może być stosowana na niemal wszystkich rodzajach podłoża, w tym zarówno na powierzchniach mineralnych i organicznych, jak i wykonanych z drewna, płyt drewnopochodnych, ocynkowanego metalu, betonu czy blachy trapezowej. Wykorzystano w niej bionikę, łączącą rozwiązania dostarczane przez naturę z najnowszymi technologiami.

Jak stwierdza producent: inspiracją dla stworzenia StoColor Dryonic jest Onymacris unguicularis – chrząszcz pochodzący z pustyni Namib, a właściwie jego pancerz o hydrofilowo-hydrofobowej mikrostrukturze. Unikalność innowacyjnej technologii Dryonic opiera się na błyskawicznym odprowadzaniu wody z elewacji, i to niezależnie, czy jest to woda pochodząca z rosy, mgły czy deszczu nie tylko elewacja pozostaje sucha, lecz także zahamowany zostaje rozwój alg i grzybów – bez konieczności stosowania biocydów.

O tym, czy dzięki tego typu nowatorskim w swojej formule rozwiązaniom nanotechnologia wciąż będzie tak innowacyjną dziedziną, jak dotychczas – wkrótce się przekonamy. Z całą pewnością można się spodziewać wielu oryginalnych i spektakularnych rozwiązań technicznych, w tym również w branży powłok antykorozyjnych. Czas pokaże, czy umożliwią one na ostateczne zwycięstwo w trwającej od stuleci walce z korozją.