Miten nanohiukkaset ja pinnoitteet parantavat korroosionestokykyä ja estävät jään muodostumista rakenteilla?

Nanoteknologia tarjoaa monia edistyksellisiä ratkaisuja, joita hyödynnetään eri teollisuuden aloilla, erityisesti korroosionestopintakäsittelyissä ja jäänestopinnoitteissa. Yksi suurimmista haasteista teollisissa rakenteissa, kuten laivoissa, silloissa ja muissa metallirakenteissa, on korroosion ehkäisy ja sen vaikutusten minimoiminen. Erityisesti grafiitin ja sen johdannaisten käyttäminen nanomittakaavassa on osoittautunut erittäin tehokkaaksi korroosionestoaineeksi. Vaikka nämä materiaalit voivat olla kalliimpia kuin perinteiset vaihtoehdot, niiden poikkeuksellinen suorituskyky tekee niistä arvokkaita lisäaineita pintakäsittelyissä. Grafiitin ja sen johdannaisten käyttö parantaa merkittävästi korroosionkestävyyttä estäen veden ja hapen tunkeutumista pinnoitteisiin, mikä vähentää metallin rappeutumista.

Inorgaaniset nanohiukkaset ja niiden rooli korroosionestopinnoitteissa

Zinkoksidi (ZnO) -nanohiukkaset ovat erinomainen esimerkki nanomateriaalista, joka parantaa pinnoitteiden esteominaisuuksia ja estää korroosion kasvua. Nanohiukkasten pienempi koko lisää niiden pinta-alaa ja antaa niille enemmän sitoutumispaikkoja, joiden avulla ne voivat vangita ja estää korroosiota aiheuttavien molekyylien, kuten veden ja hapen, liikkumisen. Näin korroosioprosessi hidastuu tai jopa estyy kokonaan. ZnO-nanohiukkaset toimivat myös uhrianodeina, mikä tarkoittaa sitä, että ne korrodoituvat ensin suojaten metallirakenteen pinnan korroosiolta.

Samalla ceriumdoksidi (CeO2) on hyvä vaihtoehto kromille pinnoitteissa. CeO2 pystyy vaihtamaan kaksi valenssitasoa (Ce3+ ja Ce4+) nopeilla redoksireaktioilla, jotka suojaavat terästä korroosiolta. Lisäksi CeO2:n nanomittakaava helpottaa redoksireaktioiden kiertoa ja parantaa näin sen tehokkuutta, kun sitä lisätään pinnoitteisiin.

Muita nanohiukkasia, kuten SiO2, ZnO, savi ja Fe2O3, on myös tutkittu niiden korroosionestovaikutusten vuoksi. Näiden materiaalien käyttäminen epoksipinnoitteissa voi vähentää korroosionopeutta useilla kertaluokilla. Nanohiukkaset täyttävät pinnoitteiden huokosia ja parantavat sen sitoutumista teräsalustaan, mikä parantaa kokonaiskorroosionkestävyyttä.

Konversio-pinnoitteet ja niiden rooli alumiinin suojauksessa

Alumiinin korroosion estämisessä tärkeä rooli kuuluu niin kutsutulle konversio-pinnoitteelle, joka toimii pohjamaalina ja muuntaa metallin pinnan passiiviseksi, inertiksi kerrokseksi. Ennen vuoden 2017 kiellettyä kuuden arvon kromin käyttöä teollisessa tuotannossa, kromipinnoitteet olivat yleisesti käytössä alumiinirakenteiden suojauksessa. Kromi oli erityisen tehokas kahdella tavalla: se reagoi alumiinihydroksidin kanssa pinnalla ja voi vaihtaa valenssitilaa Cr(VI) ja Cr(III), jolloin se suojaa alumiinia ja parantaa itseparanemiskykyä, kun pinta naarmuuntuu.

Kromipinnoitteet ovat kuitenkin tulleet tiukemmin säännellyiksi, ja sol-geelipohjaiset pinnoitteet ovat nousseet suosituksi vaihtoehdoksi. Sol-geelipinnoitteet, kuten silaanit ja zirkonaatit, tarjoavat hyvän korroosionestokyvyn ja voivat ylittää monia standardeja, kuten neutralisessa suolasuihkutestissä (NSS). Sol-geelipinnoitteen etu on, että se voi muodostaa inertin polymeerikerroksen alumiinipinnan päälle ja parantaa sellaisten pinnoitteiden kestävyysominaisuuksia, kuten joustavuutta ja halkeamattomuutta.

Jäänestopinnoitteet ja niiden merkitys teollisissa sovelluksissa

Jään muodostuminen rakennuksille ja laitteille aiheuttaa monia haasteita, jotka voivat heikentää osan toimintakykyä, estää pääsyn tiettyihin paikkoihin tai jopa luoda turvallisuusriskejä. Esimerkiksi jään kertyminen lentokonesiipeille voi estää ohjausten toiminnan, jolloin koneen lentoturvallisuus vaarantuu. Samoin jää voi muodostaa vaaraa sähkölinjoille, teille ja siltoille, ja vähentää tuulivoimaloiden tehokkuutta.

Jäänestopinnoitteet, joita kutsutaan jääkestäviksi pinnoitteiksi, estävät jään muodostumista useilla mekanismeilla. Jääkestävyyttä voidaan mitata eri tavoin: pintojen välinen jään kiinnittymisvoima voidaan mitata määrittämällä jääadhesion heikkeneminen. Nanomateriaalit, kuten ceriumoksidi ja muut nanohiukkaset, voivat parantaa jäänestopinnoitteiden suorituskykyä vahvistamalla niiden esteominaisuuksia ja lisäämällä pinnoitteiden itsestään parantavaa kykyä.

Näiden nanoteknologian tuottamien pinnoitteiden käyttö teollisuudessa kasvaa jatkuvasti, koska ne tarjoavat mahdollisuuden parantaa rakenteiden kestävyyttä ja turvallisuutta vaikeissa ympäristöolosuhteissa. Jää voi muodostua haitaksi monilla teollisuudenaloilla, ja tehokkaat jäänestopinnoitteet voivat parantaa sekä turvallisuutta että laitteiden elinikää.

Jäänestopinnoitteiden kehittäminen on jatkuvaa ja se vaatii tarkkaa valintaa raaka-aineista ja prosesseista. Erityisesti nanohiukkasten käyttö on osoittautunut lupaavaksi, sillä ne tarjoavat pinnoitteille paitsi parempaa lujuutta myös joustavuutta, joka estää halkeamien syntymisen ja pidentää pinnoitteiden käyttöikää.

Miksi sol-geeliä ja nanoteknologiaa käytetään funktionaalisissa pinnoitteissa?

Sol-geelikalvot tarjoavat erinomaisia mahdollisuuksia erilaisten pinnoitteiden valmistukseen, erityisesti silloin, kun halutaan yhdistää epäorgaanisia ja orgaanisia aineita. Tämä yhdistelmä on erityisen sopiva pinnoitteille, joilla on suurempi kuivan kalvon paksuus ja kovetettu pinta muoveille. Esimerkiksi titaanioksidipartikkelit, erityisesti nanokokoisina, muodostavat teknologian perustan, joka on kysytty monilla eri teollisuudenaloilla. Näitä nanohiukkasia käytetään laajasti katalyyttisissa prosesseissa, kuten itsepuhdistuvissa pinnoitteissa, NOx-päästöjen vähentämisessä ja ilmanpuhdistussuodattimien pinnoitteissa. Nanotitaanioksidia voidaan pitää ehkäpä maailmanlaajuisesti eniten hyväksyttynä nanomateriaalina, ja se muodostaa "standardin" tarjonnan monilla titaanioksidivalmistajien tuoteportfoliolla.

Erityisesti erikoistuneet teknologiayritykset, jotka seuraavat sol-geelimenetelmää, ovat alkaneet valmistaa erityyppisiä nano-titaanioksidipinnoitteita, joiden suorituskyky on parantunut merkittävästi. Näitä tekniikoita käytetään esimerkiksi antimikrobisissa pinnoitteissa, joissa nano-titaanioksidin hapettumisprosessi kykenee tehokkaasti tuhoamaan mikrobeja erilaisten alusten pinnalta. Antimikrobiset pinnoitteet tarjoavat välttämätöntä suojaa mikrobeja vastaan erityisesti hygieniaherkissä ympäristöissä. Terveydenhuoltopaikoista julkisiin tiloihin ja kuluttajatuotteisiin, nämä pinnoitteet tekevät tärkeää työtä infektioketjujen katkaisemiseksi.

Itseparantuvat pinnoitteet herättävät suurta kiinnostusta laajalla sovellusalueella, aina suojapinnoitteista elektroniikkalaitteiden ja ilmailuosausten pinnoitteisiin. Ne ovat tunnetuimpia auton koripinnoitteista, jotka kykenevät korjaamaan itse itsensä naarmuuntuneina. Uusi polymereiden luokka, nimeltään vitrimerejä, on noussut erityisesti itselääkivien materiaalien alueella merkittävään rooliin. Nämä materiaalit eivät heikennä pinnoitteen ominaisuuksia, sillä polymeri vain järjestäytyy uudelleen naarmun kohdalle, pitäen samat perusominaisuudet, vaikka niitä vahingoitettaisiin toistuvasti.

Vaikka globaali lämpeneminen ja ilmastonmuutos saattavat saada meidät ajattelemaan, että jään muodostuminen ei ole enää tulevaisuudessa suuri huolenaihe, todellisuudessa tilanne on päinvastoin. Maapallon lämpötilan nousu avaa uusia alueita korkeammilla leveysasteilla, joissa teollinen kehitys on aiemmin ollut rajoitettua, ja tämä lisää entisestään jäätymisenestopinnoitteiden kysyntää. Näitä pinnoitteita voidaan muokata jäätymispisteen alentajilla, ja tutkimus etenee sähköistävillä pinnoitteilla, jotka mahdollistavat pinnoitteiden lämmittämisen johtavilla materiaaleilla, kuten grafiinilla ja hiilinanoputkilla.

Optiset pinnoitteet muodostavat vakiintuneen ja kukoistavan markkinasegmentin. Lasia ja läpinäkyviä muoveja voidaan valmistaa häikäisysuojiksi sol-geelitekniikalla, ja tämä on erityisen tärkeää silmälaseissa, linsseissä ja rakennuslasissa. Sumunesto-pinnoitteet valmistetaan tyypillisesti superhydrofiilisten kalvojen avulla käyttäen orgaanisia ja yhdistettyjä orgaanisia / epäorgaanisia hybridi-tekniikoita. Tämän tyyppinen teknologia on erityisen kiinnostava sen kestävyyden ja pysyvän sumunesto-ominaisuuden ansiosta. Väriä muuttavat ja itsehimmentävät pinnoitteet tuovat todellista lisäarvoa ja antavat lasipinnoille kontrolloidun peittävyyden, joka tuo mukanaan lämpöeristyksellisiä etuja, joita voidaan hyödyntää rakennuksissa, taloissa ja ajoneuvoissa.

Ei kaikki innovaatiot ole kuitenkaan johtaneet kaupallisesti menestyneisiin uusiin tuotteisiin. On edelleen tutkimuksia, jotka eivät ole kyenneet saavuttamaan kaupallista läpimurtoa. Esimerkiksi liukkaan nesteen täyttämät huokoiset pinnat (SLIPS) ovat lupauksia herättäviä, mutta ne eivät ole vielä täyttäneet laajaa markkinatarvetta. Vaikka potentiaalia löytyy erityissovelluksissa, laajemman julkisen hyväksynnän saavuttaminen edellyttää lisää kehitystä. Monimutkaiset sovellusmenetelmät ja rajoitettu kulutuskestävyys voivat olla osasyitä niiden viivästyneelle hyväksynnälle.

Tässä kirjassa viitattiin Eric Drexlerin teokseen Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology (1986), joka oli yksi ensimmäisistä teoksista, joka antoi perspektiiviä siihen, mitä nanoteknologia voisi tuoda. Nyt, useiden vuosikymmenten jälkeen, voimme arvioida joitakin Drexlerin ennusteista, jotka ovat toteutuneet. Näihin kuuluvat muun muassa nanoteknologian käyttö uusien materiaalien luomiseksi, joilla on poikkeuksellisia ominaisuuksia, kuten lujuus, keveys ja sähkönjohtokyky. Tämä kirja on antanut nykyaikaisen katsauksen funktionaalisiin ja älykkäisiin pinnoitteisiin, jotka nimenomaan viittaavat näihin ominaisuuksiin. Esimerkkeinä voidaan mainita hiilinanoputkia sähkönjohtavien maalien luomiseksi ja sol-geelihiukkasia pinnoitteiden kulutuskestävyyden ja hankausturvallisuuden parantamiseksi.

Teknologiset edistysaskeleet pinnoitteiden alalla ovat usein hitaita, sillä alalla on monia esteitä, jotka liittyvät raaka-aineista, koostumuksista ja sovelluksista aina valmiisiin tuotteisiin saakka. Uudet älykkäät toiminnot herättävät suurta innostusta, mutta niiden ei pitäisi vaarantaa muita laatuominaisuuksia, kuten kestävyys tai ulkonäkö. Edistyminen älykkäissä ja funktionaalisissa pinnoitteissa perustuu lähes täysin uusien kehittyneiden materiaalien käyttöön. Näitä materiaaleja tarjoavat erityisesti uudet yritykset ja tutkimuslaitosten spin-offit. Tällaisia kehitystuotteita otetaan usein käyttöön tavallisessa markkinadynamiikassa, joka lisää materiaalien saatavuutta ja parantaa käytettyjen materiaalien ja prosessien taloudellisuutta. Grafiini on esimerkki tästä dynaamisesta kehityksestä. Pitkän tutkimuksen tuloksena on saavutettu laajamittaisia, kustannustehokkaita tuotantomenetelmiä, joiden myötä jatkuva virta innovatiivisia ja kustannustehokkaita sovelluksia on tullut markkinoille. Grafiinia käytetään nyt onnistuneesti lisäaineena vahvistuksissa ja korroosionesto- sekä sähkönjohtavissa pinnoitteissa.

Älykkäiden ja funktionaalisten pinnoitteiden tulevaisuus on jatkuvassa innovaation ja kehittyneiden materiaalien integroinnissa, joka perustuu nano- tai muihin teknologioihin. Teollisuuden kehittyessä voimme odottaa nykyisten kehityksien laajempaa hyväksyntää ja näemme yhä monimutkaisempia pinnoitteita, jotka vastaavat nouseviin haasteisiin ja parantavat erilaisten tuotteiden ja pintojen suorituskykyä.