مرجع پلیمر در بازار ایران: با الهام گرفتن از سیستمهای بیولوژیکی، مواد خود ترمیم شونده مصنوعی برای بازسازی آسیبهای موضعی حاصل از نیروهای خارجی طراحی میشوند. در بین سیستمهای خود تعمیر شونده، مواردی که دارای ویژگی سطح بهتری میباشند با سرعت بیشتری در حال توسعه یافتن هستند. بی شک امروزه استفاده از پوششهای هوشمند برای بالابردن کارایی سطح یکی از جذابترین حوضههای مطالعاتی برای بسیاری از محققان میباشد.
با توجه به اینکه امروزه محدودیتهای قانونی بسیاری جهت منع استفاده از مواد شیمیایی سمی و آلاینده از جمله سیستمهای مقاوم به خوردگی بر پایه ترکیبات کرم (VI)، که جزو مقاومترین سیستمها در برابر خوردگی میباشند، وجود دارد لذا قابلیت خود ترمیم شوندگی بویژه درارتباط با فرایندهای محافظت از خوردگی بسیار ضروری بنظر میرسد. پوششهای محافظ خود ترمیم شونده با استفاده از ترکیبات درشت مولکول، سرامیکها، فلزهاو ترکیبات کامپوزیتی تهیه میشوند.
رفتار خود ترمیم شوندگی در چنین پوششهایی میتواند با یکی از روشهای زیر فعال شود: تغییرات دما، تابشدهی، تغییرات pH، تغییرات فشار و تحریک مکانیکی. در این مقاله، تحقیق و الزامات عملی روشهای مختلف برای دستیابی به قابلیت خود ترمیم شوندگی در پوششهای محافظ ، و همچنین تحولات بالقوه در این زمینه، مورد توجه قرار گرفته شده است.
مقدمه
در انتخاب یک ماده ساختمانی عموما دو مطلب بسیار حائز اهمیت میباشند:1- خواص مطلوب و 2- قیمت. عموما بدلیل ویژگیهای نسبتا نامناسب سطح آلیاژهای منیزیوم و آلومینیومی، فولاد و کامپوزیتها میتوان با پوشش دادن سطح آنها با استفاده از پوششهای محافظ در بسیاری موارد بر این مشکل فائق آمد و خواص سطحی آنها را افزایش داد. با توجه به اینکه هزینه قریب به اتفاق اقتصادهای صنعتی مدرن در ارتباط با هزینههای مربوط به جلوگیری و کاهش فرایند خوردگی در مواد ساختمانی و عملکردی است، لذا این روش، علاوه بر صرفه اقتصادی در استفاده از مواد گرانتر، ویژگیهای مطلوبی از جمله سختی یا مقاومت در مقابل سایش را در سطح ایجاد میکند. براساس آمار انتشار یافته توسط کمیته خوردگی واحد مهندسی سطح (پژوهشگاه مواد، مواد معدنی و استخراج معدن (IOM3، UK))، هزینه های سالانه حاصل از تخریب توسط خوردگی شیمیایی یا الکتروشیمیایی که به اقتصاد انگلستان تحمیل میشود، بین 2٪ تا 3٪ از تولید ناخالص ملی برآورد شده است. در ارتباط با این آمار، وضعیت مشابهی در ایالات متحده آمریکا و ژاپن دیده میشود [1]. به طور تخصصیتر میتوان گفت سرانه هزینههای مربوط به خوردگی چیزی حدود 600 پوند در سال است. اغلب در این ارقام، هزینه های مربوط به تجهیزات در زمانی که از رده خارج میشوند، برجسته می شوند. با این حال، جایگزین کردن، تعمیر و یا بازگردانی تجهیزات خورده شده نیز نیاز قابل توجه به نیروی انسانی اضافی و نیز جذب سرمایههای جدید برای سرمایه گذاری برای تهیه و تعمیر تجهیزات دارد.
Nowadays, protective coatings have to meet the requirements of the current legislation embodied in the registration, evaluation, authorisation and restriction of chemicals, which prevents the use of harmful substances including hexavalent chromium, the main compound employed in such coatings until recently.
Furthermore, the surface finishing sector is aware that it is not only the manufacture of the product, but also its use in service and its disposal at end-of-life that can impact the environment detrimentally.
Consequently, there is a pressing need to render production methods less environmentally damaging without compromising on the product life cycle. The circumstances mentioned above have become the impulse for the development of alternative solutions[2]. Currently, coatings should not only fulfil requirements mentioned above but should also be easily manufactured, demonstrate reduced material usage and installation costs and exhibit enhanced durability. Therefore a strong emphasis is given by academic institutions as well as industry sector, to investigating and developing self-healing and smart coatings, combining various functionalities for improved corrosion protection.
بر اساس مطالعات انجام شده در زمینه پوششهای خود ترمیم شونده جهت محافظت دربرابر خوردگی، مشخص شده است که اغلب این پوششها از نوع پلیمری و کامپوزیتی میباشند. عموما، پوششهای محافظ خود ترمیم شونده به دو دسته تقسیم میشوند: پوششهای خود ترمیم شونده پلیمری و پوششهای خود ترمیم شونده غیر پلیمری (پوششهای معدنی). با این وجود تقسیم بندی این نوع پوششها بر اساس نحوه عمل پوشش دهی نیز میتواند منطقی باشد. هر دونوع پوشش یاد شده، برای مثال، میتوانند با رهایش مواد فعال از کپسولهای تعبیه شده در داخل بافت خود، مانع خوردگی شوند. براین اساس میتوان این پوششها را بصورت زیر طبقه بندی نمود:
1- پوششهای پلیمری
2- پوششهای حاوی کپسول
3- پوششهای هیبرید- اکسید
4- سایر پوششهای خود ترمیم شونده شامل پوششهای تبدیلی، پوششهای فلزی، پوششهای حاوی تیتانا و کازئین، پوششهای حاوی مواد سرامیکی و تلفیق این مواد.
پوششهای پلیمری
مطالعات بسیاری در ارتباط با پوششها پلیمری شامل پلیمرهای گرمانرم، پلیمرهای گرما سخت، الاستومرها، پلیمرهای حافظه شکلی، پلیمرهای سوپرمولکولی، کامپوزیتهای پلیمری و غیر کامپوزیتها یا پلیمرهای زیستی بعنوان بستر انجام شده است [4–14]. مکانسیم ترمیم در مواد پلیمری عمدتا برپایه قابلیت برگشتپذیری یک جزء خاص در ترکیب است. برای دستیابی به چنین اثری، پیوندهای کوالانسی بازگشتپذیر ( مانند پیوندهای برپایه واکنش دیلز-آلدر) یا برهمکنشهای ضعیفتر غیر کوالانسی (مانند پیوند هیدروژنی، برهمکنشهای یونی، برهمکنشهای از نوعπ–π یا برهمکنشهای میزبان-میهمان) بطور موثری بکار برده شدهاند[15–20].
تا کنون مواد پلیمری مختلفی برای کاربردهای مختلف در این زمینه با موفقیت مورد استفاده قرار گرفتهاند. این قابلیت، ناشی از خواص ذاتی پلیمرها از جمله وزن کم آنها، در دسترس بودن فراوان، انعطاف پذیری، فرایند پذیری ساده و قابلیت مهندسی کردن برای اهداف مختلف است.
علاوه بر مزایای کلی یاد شده برای استفاده از پلیمرها بعنوان یک ماتریس پوشش، سایر مواردی که میتوان نام برد عبارتند از:
- استفاده ساده (برای تشکیل پوشش به دماهای بالا نیاز نمیباشد).
- اصلاح ساده (خواص محافظتی میتواند به فرایندهای شیمیایی و فیزیکی مختلفی تقسیم بشود مانند: اکسیداسیون، تورم یا شبکهای شدن).
- امکان وارد کردن انواع افزودنیها کاربردی به ترکیب پوشش مانند بازدارندههای خوردگی.
متناسب با نوع پوشش پلیمری مورد استفاده، رفتار خود ترمیم شوندگی با مکانیسمهای متفاوتی حاصل خواهد شد.چند نمونه از این دست ترکیبات در جدول 1 آورده شده است. در سیستمهای حاوی پلیمرهای رسانا، فرایند خود ترمیم شوندگی زمانی عمل میکند که پلیمر در حالت الکتروفعال خود باشد[23]. برای مثال استفاده از یک نمک پلی آنیلین الکتروفعال
با مشخص شدن قابلیت خود ترمیم شوندگی پوششهای پلیمری، درخواستها برای استفاده از این نوع پوششها بطور مشخصی تحت تاثیر قرار گرفته است. بعنوان مثال در فیلم پلیمری متخلخل استات سلولز با سدیم بنزوات بعنوان یک عامل بازدارنده خوردگی، مقاومت پلاریزاسیون به مراتب بالاتر از یک پوشش ساده است و در نتیجه، دوام آن حداقل سه برابر بیشتر است[30]. علاوه براین، در نمونه های آلومینیومی پوشش داده شده با دو لایههای پلی (اتیلنایمین)/پلی (استایرن سولفونات) بعد از 21 روز ماندن در در محلول نمکی (NaCl 0.1 M) هیچ گونه اثر خوردگی مشاهده نشد، این درحالی است که نمونه آلومینیومی که اصلاح نشده بود تنها ظرف 12 ساعت در محیط مشابه دچار خوردگی شد [31]. سه مکانیسم عمده برای محافظت به خوردگی قابل مشاهده است: (i) پسیو کردن تخریب فلز با رهایش یک عامل بازدارنده (ii) بافری کردن تغییرات pH در اطراف محل خوردگی با لایههای پلی الکترولیتی (iii) خود ترمیم شوندگی قسمتهای داری نقص به علت تحرک اجزای ترکیبات پلی الکترولیت در تجمع لایه به لایه [11].
در یک تحقیق دیگر بر روی تاثیر پوشش خود ترمیم شونده بر روی آلومینیوم مشخص شد که نمونه پوشش داده شده توسط پوشش حاصل از ترکیب پلی کلروتریفلورواتیلن و وینیل اتر بعد از قرار گرفتن به مدت 12 ساعت در محلول 3% NaCl تنها 1 میلی گرم وزن از دست داد و این درحالی است که کاهش وزن نمونه بدون پوشش حدودا 28 میلی گرم گزارش شد [32].
مهمترین ایراد پوششهای پلیمری در مقایسه با پوششهای برپایه فلزات و سرامیکها، خواص مکانیکی ضعیف آنها از جمله پایین بودن مقاومت به سایش یا سختی و همینطور فقدان هدایت الکتریکی آنها است. این خواص مکانیکی ضعیف عملا کاربرد پلیمرها را بعنوان پوششهای خود تعمیر شونده با محدودیت مواجه ساخته است.
برخی از این خواص مکانیکی را میتوان با وارد کردن نانو مواد در ساختار ترکیب بهبود بخشید، اما ممکن است به این ترتیب به سایر ویژگیهای پوشش آسیب برسد [33]. فقدان هدایت الکتریکی را میتوان با استفاده از پلیمرهایی که ذاتا دارای هدایت الکتریکی هستند مانند پلیپیرول یا پلی آنیلین مرتفع ساخت و یا با وارد کردن مقدار مناسبی از پرکنندهای رسانا (مانند نقره، طلا، نیکل، مس و کربن) پلیمر مورد نظر را رسانا کرد.
با روش دوم تعداد بسیاری از پلیمرها با داشتن ویژگیهای منحصر به فرد جهت کاربردهای متنوع، بعنوان پوشش قابل استفاده خواهند بود. کربن نانوتیوبها(CNTs) بدلیل خواص بسیار علی هدایت الکتریکی نانو سایز بودن بعنوان پرکنندههای رسانای ایدهال محسوب میشوند. وارد کردن CNTها در اپوکسایدهای رسانا باعث بهبود خواص چسبندگی و مکانیکی (شامل کرنش) پوشش نیز میشود [33].
2.2. Capsule-based coatings
The addition of micro- or nanocapsules, loaded with corrosion inhibitors, into coatings is another approach to achieving
a protective coating with self-healing attributes. Capsules are
typically constructed from polymers, inorganic materials like
silica and titania and calcium carbonate [34–41].
Also halloysite aluminosilicate nanotubes are found as an entrapment
system for storage of anticorrosion agents [42]. Micro- or
nanocontainers can be inserted into a polymeric coating
[34–37, 41], a sol–gel coating [37–39, 41–43], and occasionally into a metallic coating, e.g. one based on electrochemical nickel [40]. The self-repair properties of such
coatings are activated by appropriate stimuli: temperature changes, radiation, pH changes, pressure changes and
منبع: پوشش های خودترمیم شونده
تحقیق و توسعه جلاپردازان
