Do tej pory opracowano kilka sposobów radzenia sobie z korozją, jednak inhibitory korozji, czyli związki chemiczne reagujące z powierzchnią elementu i tworzące na niej ochronną warstewkę, zdają się być spośród nich najbardziej uniwersalnym. Do tego niedrogim i łatwym w aplikacji, nic więc dziwnego, że coraz częściej stosuje się je jako dodatki do różnego rodzaju pokryć.
fot. lnzyx (fotolia.com)
Korozja to poważny problem – jeszcze w roku 1995 według oszacowań zmaganie się z jej skutkami kosztowało Stany Zjednoczone aż 300 miliardów dolarów rocznie. Wówczas również stwierdzono, że 30% tej sumy może zostać zaoszczędzone dzięki zastosowaniu odpowiednich środków antykorozyjnych [1].
W miarę postępowania procesów korozyjnych dojść może do utraty integralnej struktury materiału, poważnego jego ubytku lub nieakceptowalnych zmian wyglądu, takich jak matowienie złota lub srebra. Ponieważ korozja związania jest z utlenianiem materiału, który to proces znacznie przyspiesza obecność wody [2], metody jej zapobiegania opierają się na modyfikacji samego materiału (zmniejszaniu jego tendencji do oksydacji), łagodzeniu niszczącego wpływu środowiska lub na izolacji od otaczającej cieczy. To ostatnie osiągnąć można poprzez aplikowanie grubych (milimetrowych) warstw antykorozyjnych, które jednak nie są skuteczne na dłuższą metę ze względu na możliwość pękania; ponadto tak grube pokrycia nie mogą być stosowane we wszystkich przypadkach (między innymi dlatego, że znacznie utrudniają wymianę ciepła) [1]. Łagodzenie wpływu środowiska zaś nie zawsze jest możliwe – choćby w przypadku elementów stale narażonych na działanie czynników atmosferycznych ten sposób zapobiegania korozji nie wchodzi w grę.
Pod wieloma względami więc najkorzystniejszem rozwiązaniem jest ochrona materiału za pomocą inhibitorów korozji, stosowanych szeroko między innymi w przemyśle motoryzacyjnym, maszynowym czy elektronicznym. Cząsteczki takich substancji przylegają do powierzchni chronionego elementu poprzez adsorpcję (inhibitory adsorpcyjne) lub reagują na styku materiału i otaczającego środowiska, tworząc bardzo cienką (grubości zaledwie kilku nanometrów) warstewkę [1]. Inhibitorami korozji mogą być zarówno związki nieorganiczne (borany, fosforany, azotyny, krzemiany) jak i organiczne.
Tradycyjne inhibitory – precypitacja i pasywacja
Wyróżniamy wiele rodzajów korozji, jednak prawdopodobnie najczęściej spotykany i najbardziej problematyczny to korozja elektrochemiczna. Dochodzi do niej wszędzie tam, gdzie dwa materiały (metale) o innym potencjale elektrochemicznym kontaktują się ze sobą. Najbardziej oczywisty przykład takiej sytuacji to styk elementów wykonanych z różnych materiałów, ale jest to powszechne zjawisko również w obrębie jednego materiału – potencjałem elektrochemicznym różnią się poszczególne fragmenty jego powierzchni (ze względu na niejednorodność stopu lub też zanieczyszczenia pochodzące od środowiska). Powstaje wówczas ogniwo – jeden obszar staje się anodą, na której zachodzi reakcja utleniania (utrata elektronów, wskutek czego powstają kationy metalu migrujące z materiału do otoczenia), drugi zaś – katodą, gdzie dochodzi do redukcji (przyłączenia elektronów od anody).
Inhibitor może działać w ten sposób, że hamuje reakcję zachodzącą na anodzie (inhibitor anodowy) lub reakcję zachodzącą na katodzie (inhibitor katodowy) [3]. Inhibitory katodowe nazywa się czasem precypitacyjnymi, ponieważ indukują wytrącanie na powierzchni katody (elementu chronionego) nierozpuszczalnego osadu wodorotlenków lub węglanów, izolującego materiał od środowiska. Inhibitory anodowe, z reguły będące anionami, reagują z kolei na styku materiał-środowisko tworząc warstwę tlenków (tzw. warstwę pasywacyjną, stąd inna nazwa tych inhibitorów – pasywacyjne) zapobiegającą migracji jonów metalu do otoczenia [4]. Właśnie ta druga grupa inhibitorów, pasywacyjna jest najczęściej stosowana jako dodatek do różnego rodzaju farb i pokryć. Ponadto dostępne są inhibitory anodowo-katodowe, mieszanina związków chemicznych zdolna hamować zarówno procesy katodowe jak i anodowe.
Wśród inhibitorów pasywacyjnych (anodowych) wyróżniamy przede wszystkim chromiany, azotyny, molibdeniany oraz ortofosforany. Dwa pierwsze rodzaje inhibitorów mają tę zaletę, że działają silnie utleniająco nawet w przypadku braku tlenu, jednak od stosowania chromianów obecnie odchodzi się ze względu na ich szkodliwy wpływ na organizmy żywe, zaś azotyny mają tendencję do utleniania się do azotanów, tracąc swe właściwości. Molibdeniany i ortofosforany natomiast są bardzo skutecznymi inhibitorami w środowisku bogatym w tlen. Ortofosforany mają co prawda tendencję do wytrącania osadów w styczności z solami wapnia obecnymi w naturalnych wodach (twardość wapniowa), jednak opracowano już dodatki zapobiegające temu zjawisku. Ponadto ortofosforany są podwójnie skuteczne, gdyż wykazują działanie mieszane, anodowo-katodowe. Ich przewagą nad molibdenianami jest również mniejszy koszt, toteż przodują w masowych zasotosowaniach przemysłowych.
Do inhibitorów precypitacyjnych należą cynk (który wytrąca się w postaci wodorotlenków, węglanów lub fosforanów), węglan wapnia oraz ortofosforan wapnia.
Z wyjątkową sytuacją mamy do czynienia w przypadków inhibitorów korozji przeznaczonych dla miedzi. Najbardziej skuteczne w tym wypadku są benzotriazol (BZT) i tolytriazol (TTA), które wiążą się bezpośrednio z tlenkiem miedzi obecnym na powierzchni i tworzą cieniutki film ochronny. Mechanizm tego zjawiska nie jest jeszcze dokładnie poznany – może wchodzić w grę zarówno inhibicja katodowa jak i anodowa lub mieszana. Problemem w przypadku tego rodzaju inhibitorów jest jednak fakt, że cząsteczki triazoli wyłapywane mogą być również przez obecne w roztworze produkty korozji – jony miedzi. Może w ten sposób dojść do zużycia dużej części zastosowanego inhibitora.
Inhibitory adsorpcyjne
Specjalny rodzaj inhibitorów, o których mowa była na początku tekstu – inhibitory adsorpcyjne – nie tworzy wiązania chemicznego z powierzchnią, a tylko przylega do niej (adsorbuje). W tym przypadku duże znaczenie mają rozmiar, orientacja, kształt czy rozkład ładunku, ponieważ wszystkie te cechy wpływają na zdolności adsorpcyjne cząsteczki na powierzchni. Jako inhibitory adsorpcyjne wykorzystuje się związki organiczne takie jak aminy czy związki zawierające grupy hydroksylowe. Zaliczamy tu także polarne środki działające „dwustronnie” – za pomocą grupy hydrofilowej wiążą się z powierzchnią metalu, a gdy to już nastąpi ich wolne grupy hydrofobowe zmniejszają zwilżalność materiału. Przykładami tego typu inhibitorów są pochodne glicyny oraz sulfoniany alifatyczne.
Typ inhibitorów, którego działanie nie zostało dokładnie poznane, lecz prawdopodobnie ich mechanizm działania jest zbliżony do inhibitorów adsorpcyjnych, to krzemiany. Nie mają one działania utleniającego i są aktywne tylko w obecności tlenu, nie są więc klasycznymi inhibitorami pasywacyjnymi, nie obserwuje się jednak również w ich przypadku wytrącania warstwy osadu charakterystycznej dla inhibitorów katodowych. Charakterystyczną cechą inhibitorów krzemianowych jest to, że nie działają natychmiast – potrzebują około 2-3 tygodni, by osiągnąć pełną aktywność antykorozyjną [5].
Lotne inhibitory
Warto wspomnieć także o ostatnio coraz bardziej popularnych lotnych inhibitorach korozji (ang. Volatile Corrosion Inhibitors – VCI). Aplikuje się je, otaczając chroniony element materiałem opakowaniowym nasączonym tego typu lotnymi związkami – azotynami, etanoloaminami, amyloaminami, morfolinami czy hydrazyną. W kontakcie z powierzchnią metaliczną gazowe komponenty ulegają kondensacji, rozpuszczają się w wodzie gromadzącej się na powierzchni metalu i ulegają hydrolizie, wskutek czego powstaje ochronna warstwa o grubości ok. 4-5 molekuł. Istnieją także inne sposoby wykorzystania VCI – można je przykładowo dodawać do mas wiążących w konstrukcjach żelbetonowych lub do olejów i smarów, tak by zapewnić wstępną ochronę antykorozyjną już na etapie obróbki elementów metalowych, a następnie ich eksploatacji. Lotne inhibitory są więc wyjątkowo proste i tanie w zastosowaniu, a do tego jest to rozwiązanie przyjazne środowisku [6, 7].
Bibliografia:
[1] http://electrochem.cwru.edu/encycl/art-i01-inhibitors.htm
[2] http://www.lakiernik.com.pl/poradnik/17.html
[3] http://pl.wikipedia.org/wiki/Korozja_elektrochemiczna
[4] http://home.agh.edu.pl/~smola/10_Instr_Inhibit.pdf
[5] http://www.gewater.com/handbook/cooling_water_systems/ch_24_corrosion.jsp
[6] http://www.chemikalni.pl/artykuly/artykul3.pdf
[7] http://www.excor.pl/technology.html
