PROTECTIVE COATINGS | INNOVATIONS
CREATING NEW BARRIERS WITH GRAPHENE La creazione di nuove barriere con il grafene
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Introduction
Introduzione
Steel is one of today’s most widely used materials, finding application in infrastructure, transport and packaging1 amongst others and with global steel production exceeding 1.6 billion tons per annum. Despite excellent properties, steel is prone to corrosion that causes a degradation in properties and results in extensive maintenance or replacement of steel, at significant cost. This cost impact has been estimated at USD 2.2 trillion or approximately 3% of global GDP2 and attracts significant effort from coating manufacturers in an effort to develop coatings that provide protection against corrosion. Historically, the coatings industry has formulated systems with active inhibitors. Chromium-based coatings have been used extensively, given that they can act both as cathodic or anodic inhibitors. These have however come under pressure on health and environmental grounds forcing the development of a new generation of environmentally friendly systems. Metal phosphates find wide use with Zirconia and Titanium based Fluorocomplexes, demonstrating comparable performance to Chromium based pre-treatments. Graphene, based on its exceptional electrical and mechanical properties, has attracted attention as a potential material to impart anti-corrosive performance. Siva Bohm3 has proposed that Graphene’s twodimensional platelet structure would enable excellent performance in barrier coatings based on its high surface area, electrical conductivity and impermeable nature and postulated that this enhanced performance might be explained by the combination of three processes: 1. Graphene may make the path of water permeation more tortuous. 2. The impermeability of Graphene’s molecular structure will reduce penetration of oxygen, water and other corrosive materials. 3. Graphene will provide an alternative path for electrons, breaking the electrochemical cell that is necessary for corrosion.
L’acciaio è uno dei materiali oggi più diffusi: trova applicazione, infatti, nei settori delle infrastrutture, dei trasporti e del packaging1 - tra gli altri - e la produzione globale di acciaio supera 1,6 miliardi di tonnellate all’anno. Nonostante le sue eccellenti caratteristiche, l’acciaio è soggetto alla corrosione che provoca un degrado delle sue proprietà e si traduce in un vasto intervento di manutenzione o sostituzione dell’acciaio, con costi considerevoli. L’impatto sui costi è stato stimato in 2,2 bilioni di dollari o nel 3% circa del PIL2 mondiale e comporta uno sforzo significativo da parte dei produttori di vernici impegnati a sviluppare rivestimenti che forniscano protezione contro la corrosione. I rivestimenti a base di cromo sono stati ampiamente utilizzati, dal momento che possono agire sia come inibitori catodici che anodici, ma sono tuttavia sottoposti a pressioni per motivi di tutela della salute e dell’ambiente: ciò porta a sviluppare una nuova generazione di sistemi a basso impatto ambientale. I fosfati metallici combinati con i fluorocomplessi a base di ossidi di zirconio e titanio trovano largo impiego, con prestazioni paragonabili ai pretrattamenti a base di cromo. Il grafene, grazie alle sue proprietà elettriche e meccaniche eccezionali, ha attirato l’attenzione come possibile materiale che impartisce prestazioni anticorrosive. Siva Bohm3 ha suggerito che la struttura bidimensionale delle piastrine di grafene permetterebbe di avere ottime prestazioni nei rivestimenti-barriera grazie alla sua vasta area superficiale, alla conducibilità elettrica e alla natura impermeabile. Ha ipotizzato che questo miglioramento delle prestazioni potrebbe essere spiegato attraverso la combinazione di tre processi: 1. Il grafene può rendere il percorso di permeazione dell’acqua più tortuoso; 2. l’impermeabilità della struttura molecolare del grafene ridurrà la penetrazione di ossigeno, acqua e altri materiali corrosivi; 3. il grafene fornirà un percorso alternativo per gli elettroni, rompendo la cella elettrochimica necessaria all’innesto della corrosione.
1 Steel’s contribution to low carbon future, World Steel Position Papers, World Steel Association, 2015.
1 Steel’s contribution to low carbon future, World Steel Position Papers, World Steel Association, 2015.
2 F.G. Hays, Now is the Time, World Corrosion Organisation, 2010.
2 F.G. Hays, Now is the Time, World Corrosion Organisation, 2010.
3 S. Bohm, Graphene against Corrosion, Nat. Nanotechnology 2014, 9(10), 741-742.
3 S. Bohm, Graphene against Corrosion, Nat. Nanotechnology 2014, 9(10), 741-742.
N. 21 - 2017 APRIL - ipcm® Protective Coatings