Покрытие из трех типов структур высвободило ингибитор в момент начала коррозии

Австралийские материаловеды разработали антикоррозионное покрытие на основе трех типов структур. Сочетание полимерных мицелл, металл-органических каркасов и диоксида кремния обеспечивает стабильность покрытия и позволяет высвобождать ингибитор в нужный момент — когда изменение кислотности сообщит о начале коррозии. В результате покрытия сохранили защитные свойства после 39 дней в солевом растворе, а расчетная скорость коррозии снизилась в 600 раз. Статья опубликована в журнале Small Science.

Коррозия — это процесс разрушение металла из-за какого-то взаимодействия с окружающей средой: химического, электрохимического или физического (а иногда всех трех одновременно). Защититься от нее можно разными способами, например, используя покрытия с добавками ингибиторов (замедлителей) коррозии. Проблема в том, что молекулы ингибитора могут начать вымываться из покрытия еще до того, как коррозия начнется. Поэтому исследователи ищут разные способы, которые помогают стабилизировать такие покрытия и не расходовать ингибиторы раньше времени.

Австралийские материаловеды под руководством Юсуке Ямаути (Yusuke Yamauchi) из Университета Квинсленда решили объединить для этого несколько уровней наноструктур. Ученые использовали коммерчески доступный ингибитор коррозии бензотриазол (BTA). Сначала его поместили в мицеллы полимера Pluronic P123, затем вокруг вырастили металл-органические каркасы ZIF-8 на основе ионов цинка и органических лигандов и наконец покрыли полученные частицы оболочкой из диоксида кремния толщиной около 20 нанометров.

После добавления BTA средний диаметр мицелл увеличивался примерно с 10 до 21 нанометра. Когда вокруг них формировался ZIF-8, мицеллы становились центрами роста каркаса. При этом добавление одного BTA без мицелл нарушало формирование кристаллической структуры ZIF-8. А при использовании всех трех компонентов этого не происходило — мицеллы наоборот выступили шаблоном для роста каркаса. Подобрав оптимальные соотношения компонентов, ученые получили стабильные частицы с массовой долей BTA 16,2 процента (с добавками только ZIF-8 без мицелл максимальная загрузка BTA была только 4,2 процента, с добавками мицелл без ZIF-8 — 9,3 процента).

Механизм высвобождения ингибитора основан на изменении кислотности. При коррозии одновременно происходит анодное растворение металла и катодное восстановление кислорода. Из-за этого pH поверхности меняется, но неравномерно: какие-то локальные участки могут стать более кислыми, а другие — более щелочными. В умном покрытии предусмотрена реакция на оба варианта: в кислой среде снижается устойчивость ZIF-8, а щелочная среда действует на покрытие из диоксида кремния, открывая пути диффузии. И в том, и в другом случае BTA получает возможность выйти из наноконтейнера, адсорбироваться на открывшейся металлической поверхности и выполнить свою роль ингибитора. В кислом растворе (pH 3) высвобождалось около 35 процентов BTA, в щелочном (pH 10) — около 32 процентов, а в нейтральной среде — всего около 4 процентов.

Полученные наночастицы добавили в полиуретановое покрытие в концентрации один массовый процент и нанесли его на оцинкованную сталь. Затем образцы процарапали, специально нарушив целостность покрытия, и погрузили в раствор хлорида натрия. Через 14 дней продуктов коррозии не обнаружили даже в области царапины, при этом контрольный образец с покрытием только из полиуретана уже начал корродировать. В другом эксперименте уже непроцарапанные образцы выдерживали в растворе хлорида натрия в течение тридцати девяти дней, после этого величина коррозионного тока осталась низкой (3,2 × 10⁻⁹ ампера на квадратный сантиметр). C помощью экстраполяции Ямаути и его коллеги рассчитали, что скорость коррозии материала составит 37 нанометров в год — это в 600 раз медленнее, чем у коммерческих покрытий. Впрочем отметим, что такой расчет не учитывает механических воздействий и другой нагрузки. На практике результат может быть хуже.

Таким образом, австралийские ученые объединили в одном материале несколько уровней защиты и высвобождение ингибитора в момент начала коррозии. Тот же принцип можно использовать и для других небольших органических ингибиторов: в качестве демонстрации ученые заменили BTA на 2-меркаптобензотиазол и также получили загруженные наноконтейнеры.

Ранее мы рассказывали об эксперименте немецких физиков, которые показали, что при контакте с диэлектриками капли воды приобретают электрический заряд, ускоряющий коррозию металлов. Больше о технологичных способах защиты от коррозии можно узнать из нашего материала «За нами не заржавеет».