Журнал наномедицинских и биотерапевтических открытий
Открытый доступ

Абстрактный

Защита от коррозии с помощью графена

Б. Мюнцинг

Графен, теоретически атомный слой графита, теперь может производиться в больших промышленных масштабах. Большинство этих процессов генерируют несколько слоев графена. Sixth Element разработала запатентованный процесс для производства различных типов графена со специфическими разработанными свойствами для различных применений. Исследования по использованию графена в покрытиях начались еще в 2013 году с акцентом на снижение содержания цинка в системах антикоррозионных покрытий на основе растворителей. В стандартных грунтовках с высоким содержанием цинка цинк действует как катодный жертвенный слой, поскольку цинк является более неблагородным металлом, поэтому защищает лежащую под ним металлическую подложку. Когда цинк все больше окисляется, образующийся оксид цинка создает барьер, который предотвращает воздействие окружающей среды (воды, соли) на металлическую подложку. Теперь идея заключалась в том, чтобы разработать тип графена, который был бы достаточно электропроводным, чтобы поддерживать любую катодную функцию системы, и мог бы действовать как барьер, не производя элемент батареи. Еще одним требованием было то, чтобы такой графен можно было обрабатывать с помощью стандартного оборудования, используемого в индустрии покрытий. В сотрудничестве с промышленным партнером в Китае, Toppen Co, был разработан тип графена SE1132. Это несколько слоев графена со средней проводимостью. Добавление 1% SE1132 в систему эпоксидной грунтовки и снижение содержания цинка до 25% (в пересчете на сухое вещество) показывает значительные улучшения в испытаниях на солевой туман и конденсацию воды по сравнению со стандартной эпоксидной грунтовкой с высоким содержанием цинка. Результаты были подтверждены путем измерения тока коррозии такой системы. Sixth Element получила патент в Китае и США на эту разработку. На основании независимых испытаний китайских властей система одобрена для применения в открытом море, впервые применена для защиты стальной конструкции башни морской ветровой электростанции в 2015 году.

Недавно были введены новые грунтовки, содержащие цинк вместе с дополнительными пигментами. Эти грунтовки направлены на выполнение последних требований по защите от коррозии, которые изложены в международном стандарте (ISO 12944-2018). К сожалению, цинковые продукты, такие как обычно используемый цинковый порошок, очень токсичны для водной флоры и фауны. Поэтому пользователи в морской среде все чаще требуют грунтовки с гораздо более низким содержанием цинка.

Вот тут-то и вступает в игру графен, монослойная форма графита. Этот материал был впервые обнаружен в 2004 году, и его исключительная механическая прочность, а также превосходные электро- и теплопроводящие свойства делают его привлекательным для целого ряда применений. Графен также может поглощать атомы или молекулы и может быть функционализирован путем связывания различных химических групп с его атомами углерода.

За последние 15 лет ученые и инженеры разработали несколько путей промышленного производства графена. Для применения в электронной промышленности обычно используется химическое паровое осаждение (CVD), которое начинается с богатой углеродом атмосферы и наносит один слой атомов углерода на подложку, чтобы создать листы графена с высокой электропроводностью. Другим распространенным путем является использование модифицированного метода Хаммерса, в котором графит сначала окисляется, а затем, посредством стадий восстановления, проводимых в инертной атмосфере, производятся различные типы графена. Другие методы включают отслаивание или отшелушивание слоев графена с использованием запатентованного электрохимического процесса.

За исключением CVD, эти методы, как правило, производят малослойные графеновые продукты, которые доступны либо в виде порошка, либо диспергированы в растворителях, воде и полимерных системах. Первичные частицы малослойного графенового продукта могут иметь поперечные размеры от 1 мкм до более 50 мкм, с толщиной до нескольких нанометров, в зависимости от количества слоев. Даже если эти продукты не являются чистым графеном, их электро- и теплопроводность, а также механические свойства очень похожи на свойства чистого материала. Что особенно важно, они достаточно близки для целей защиты от коррозии.

Коррозия, в наиболее распространенном использовании этого слова, представляет собой электрохимическое окисление металла (обычно стали) окислителем, таким как кислород, сульфаты или хлориды, с образованием химически стабильных солей металла, то есть ржавчины. Будучи проводящим материалом, графен способен благоприятно влиять на электрохимическую реакцию (вместе со вторым дополнительным антикоррозионным пигментом), что означает меньшее количество ржавчины. Барьерные свойства графена поддерживают этот эффект. Кроме того, графен может усиливать адгезию связующего в системе покрытия к подложкам. Это помогает предотвратить отделение защитного покрытия от подложки (соленой) водой, которая воздействует на подложки.