ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

نقش نانوپوشش‌های هوشمند در ترمیم خوردگی سطوح فلزی

پژوهشگران دانشگاه صنعتی شریف در تحقیقاتی آزمایشگاهی موفق به ساخت نانوپوشش‌های هوشمندی شده‌اند که می‌توانند در صنایع رنگ و پوشش به‌کار روند. این نانوپوشش‌ها خود ترمیم شونده هستند و بدون نیاز به مداخله‌ی انسان یا هرگونه عامل خارجی، قابلیت ترمیم سطوح فلزی خورده شده را دارند.

حفاظت از سطوح فلزی توسط پوشش‌های ضدخوردگی، به‌منظور پیشگیری از خوردگی، نیازمند کنترل و بازرسی دائمی این پوشش‌هاست که بسیار وقت‌گیر، پر هزینه و تقریباً امکان‌ناپذیر است. این مشکل سبب شده تا کنترل هوشمند فرآیندها و واکنش‌های خوردگی و ترمیم آن‌ها بدون مداخله‌ی هرگونه عامل خارجی، توسط پوشش‌های خود ترمیم شونده، به یک موضوع داغ بدل شود.

دکتر احمد رمضانی سعادت آبادی، عضو هیأت علمی دانشگاه صنعتی شریف، در معرفی طرح انجام شده عنوان کرد: «در این پژوهش، با استفاده از روش الگوهای سیلیکایی، نانو کره‌های توخالی کربنی به‌عنوان نانو حامل‌هایی سنتز شده‌اند که قادر به ذخیره‌‌سازی عوامل ترمیم کننده‌ی فعال و ضدخوردگی هستند. در بخش بعدی مطالعات نیز ساخت پوشش‌های پلیمری حاوی این نانو حامل‌ها با موفقیت انجام شد. همچنین نتایج کلی نشان دهنده‌ی رفتار خود ترمیم شوندگی و حفاظت فعال این پوشش‌ها در محیط‌های خورنده بوده‌است.»

به گفته‌ی این محقق، استفاده از این نانوکره‌ها سبب افزایش راندمان رهاسازی عوامل ضد خوردگی می‌گردد. از طرفی با توجه به استحکام مکانیکی بالای پوسته‌های کربنی استفاده شده در این نانوکره‌ها، افزودن آن‌ها به مواد پلیمری سبب افزایش چشم‌گیر استحکام مکانیکی نانوکامپوزیت‌های نهایی می‌شود که این ویژگی می‌تواند سبب کاهش هزینه‌ی محصول نهایی شود؛ به دلیل آن که نیاز به تقویت کننده‌های میکرو و نانوی دیگری نخواهد بود.

وی در خصوص کاربرد نانوپوشش ساخته شده عنوان کرد: «این پوشش‌ها به طور مستقیم در صنایع رنگ و پوشش‌های هوشمند کاربرد دارند. البته نتایج این تحقیق به‌طور غیر مستقیم در صنایع دریایی به منظور ساخت رنگ‌های دریایی هوشمند و ضد خوردگی، ساخت تجهیزات رهاسازی کنترل شده‌ی دارو و همچنین حذف ترکیبات سمی از پساب‌های صنعتی نیز قابل استفاده خواهند بود.»

رمضانی در ادامه به بیان تفاوت اصلی نانوحامل ساخته شده در این طرح با دیگر تحقیقات پرداخت و گفت: «تاکنون نانوحامل‌های مورد استفاده برای ذخیره‌ی عوامل ترمیم کننده و ضد خوردگی، بیشتر از پوسته‌های پلیمری با خواص مکانیکی پایین و اندازه‌های ماکرو ساخته شده‌اند. در اکثر این نانوحامل‌ها، جنس پوسته‌ در خلال فرآیند‌های ساخت پوشش تخریب و پاره می‌شوند و سبب آزاد شدن این عوامل پیش از تکمیل ساخت پوشش‌ها می‌شوند. پوسته‌ی نانو کره‌های توخالی کربنی ساخته شده در این پژوهش، از جنس گرافن با استحکام مکانیکی بالا هستند. همچنین خلل و فرج‌های پوسته و اندازه‌ی آن‌ها به راحتی قابل کنترل بوده و درصد‌های بالایی از عوامل ترمیم کننده و ضد خوردگی را می‌توانند درون خود ذخیره کنند. با توزیع این نانوکره‌ها درون پوشش‌های پلیمری، چنانچه خراش یا نقصی در پوشش به وجود بیاید، این پوسته‌ها شکسته شده و با رهاسازی عوامل ضد خوردگی بارگذاری شده درون خراش، مانع از خوردگی زیرآیندهای فلزی می‌گردند.»

این محقق درباره‌ی امکان توسعه‌ی طرح در مقیاس صنعتی نیز ابراز داشت: «تاکنون تمامی مراحل پروژه از قبیل ساخت نانوکره‌های کربنی، بارگذاری عوامل ترمیم کننده و ساخت پوشش‌های هوشمند در مقیاس آزمایشگاهی پیاده‌سازی و آزمایش شده‌اند. اما با توجه به استفاده از تجهیزات و مواد موجود در کشور، این پروژه می‌تواند در مقیاس‌های صنعتی نیز عملیاتی شود که به منظور دستیابی به تولید صنعتی، لازم است مرحله‌ی ساخت نانوکره‌های کربنی با روش‌های سریع‌تر و در دسترس‌تری جایگزین شود.»

گفتنی است، در این طرح جهت مشخصه‌یابی نانوکره‌های توخالی کربنی ساخته شده، از آزمون‌های میکروسکوپ الکترونی روبشی انتشار میدانی (FE-SEM)، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)، جذب و واجذب نیتروژن (BET)، طیف‌سنجی رامان، پراش اشعه‌ی ایکس (XRD) و طیف‌سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR) استفاده شد. بررسی عملکرد حفاظت فعال این نانوکره‌های بارگذاری شده با عامل ضد خوردگی با استفاده از آزمون‌های پلاریزاسیون الکتروشیمیایی، طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) و کانفوکال FTIR به صورت درجا ارزیابی شدند.

این تحقیقات ماحصل پروژه دکتری سید آرش حدادی- دانشجوی دکتری دانشکده مهندسی شیمی و نفت دانشگاه صنعتی شریف- که تحت سرپرستی دکتر احمد رمضانی سعادت آبادی- عضو هیأت علمی دانشگاه صنعتی شریف- و با همکاری دکتر محمد مهدویان احدی- عضو هیأت علمی مؤسسه پژوهشی علوم و فناوری رنگ و پوشش- و مشاوره‌ی محققانی از دانشگاه صنعتی دلفت کشور هلند انجام شده‌است. بخشی از نتایج این کار در مجله‌ی Chemical Engineering Journal با ضریب تأثیر 6/735 ( جلد 352، سال 2018، صفحات 909 تا 922) به چاپ رسیده‌است که مابقی نتایج در قالب سه مقاله آماده شده که به‌زودی به چاپ خواهد رسید.