С развитием технологий возникают риски, связанные с проблемой явления коррозии в промышленности и можно, путем создания покрытия на поверхности металла, в определенной степени снизить его контакт с внешней средой, таким образом, борясь с явлением коррозии.
В данной исследовательской работе использован графен по причине обладания им особыми свойствами: механическими, оптическими, гидрофобными, антикоррозийными, а также такими, как элатичность, прочность, устойчивость к воздействию химических веществ; кроме того, была использована полиэстерная ткань, обладающая такими свойствами, как эластичность, прочность, гидрофобность. В исследовании применялось нетканое полиэстерное полотно, дополненное графеном.
Нетканое полиэстерное полотно различной толщины, с добавлением резины и различным процентным содержанием порошка графена наносилось при помощи аппликаторного устройства. Готовый композит накладывался на металл (железо), затем готовые образцы исследовались по таким факторам, как антикоррозийность, устойчивость к воздействию микробов, прочность ткани и гидрофобность (влагоустойчивость). Полученные результаты исследования параметров, влияющих на производительность покрытия, таких, как защита от коррозии, бактериальная защита, прочность ткани, водоустойчивость, показали, что по сравнению с образцами без покрытия, эти параметры были увеличены и улучшены.
Согласно анализу результатов испытаний можно утверждать, что присутствие резины и графена влияет на качество полиэстерной ткани, и данное покрытие может быть использовано в качестве защитного покрытия (для антимикробной и антикоррозийной защиты) в промышленном применении.
Ключевые слова: графен, антикоррозионные свойства, антимикробные свойства, ткань, нетканое полиэстерное полотно
- Введение.
Нетканое полотно является по строению похожим на ткань, однако не используется в качестве обычной ткани, кроме того, в его производстве не применяется плетение нитей (волокон), как при производстве обычной ткани [1, c. 142–150], но, поскольку, при различных процессах волокна непосредственно преобразуются (укладываются) в гладь ткани без процедуры плетения, такая продукция рассматривается как нетканое полотно.
Нетканые полотна обычно не обладают высоким сопротивлением и производятся по принципу паучьей сети[1] или в виде коротких волокон, которые размещаются прямо или параллельно. Ткань изготавливается без узлов (связывания волокон) с помощью силы трения или склеивания, преобразуясь в слои прямых или волнистых продольных и поперечных нитей, либо способом увлажнения и валяния [5, c. 63–95].
Полиэстер относится к полимерам, содержащим группы сложных эфиров (-СО-О-) в своей основной цепи. Эти сложные эфиры образуются в результате реакции спиртов с соединениями карбоновых кислот [2, сс. 171–175].
- В полимерной и текстильной промышленности, использующей полиэстерные волокна, под волокнами подразумевают эфирные волокна, изготовленные из полиэтилентерефталата (дакрон и триллин), являющиеся наиболее распространенным типом. Полиэстерные волокна получаются в результате реакции двухфакторной кислоты с двухфакторным спиртом, где оба материала являются активными группами. [4, сс. 65–73].
«Коррозия»[2]переводится с персидского языка на английский как «жеванный», «укушенный». Коррозия — явление спонтанное, человечество сталкивалось с ним во все моменты жизни с момента обнаружения железа. При этом спонтанном явлении уровень окисления с нулевого возрастает до высокого. Действительно, основная реакция при коррозии — это окисление металла. [4, сс. 65–73]
Стандарт (ISO 8044) определяет коррозию так: «Разрушающая физико-химическая реакция между металлической поверхностью и окружающей средой, носящая, как правило, электрохимический характер, и приводящая к изменению свойств материала или металла. Указанные изменения могут привести к утрате функции материала (металла) и окружающей среды (устройства). Оба составляющих (функции металла и окружающей среды) являются частью описанного изменения».
Т. к. термодинамически окисленный материал обладает более низким уровнем энергии, чем обычные материалы, как правило, достижение более низкого уровня энергии является причиной окисления (коррозии) (Сиуреану М., Ванг Х., 1937). К сожалению, в связи с большими затратами, нельзя полностью предотвратить процесс коррозии, но можно, при правильном выборе сплава с ингибиторами коррозии, анодной и катодной защиты, и используя стойкие покрытия (лакокрасочные и резиновые, полиэстерные), снизить уровень коррозии до приемлемого.
Исследования, проведенные с помощью спектрометра ДРЛ (XRD) показывают, что между слоями графита расположены атомы углерода в сотовой структуре графеновых слоев. Графен — плоский монослойный материал, состоящий из атомов углерода, состоящих в двумерной сети с гибридом Sp2, связанных вместе. [6, cc5–6.]
Несмотря на короткую историю изучения графена, сегодня он поднялся до уровня мирового лидера в области нанотехнологий, благодаря разным функциональным группам он может быть легко объединен с различными полимерами, а благодаря высоким объемам производства и дешевизне сырья, его можно рассматривать в качестве приемлемой альтернативы органическим и неорганическим наполнителям, и он был представлен как «волшебное вещество ХХI в». [9, c 197–200]
Одним из перечисленных особенных свойств графена является способность к защите металла (металлических труб) от разрушительной среды, как, например, морская вода, содержащая большое количество соли. Согласно исследованиям графен действует как сильный барьер против разрушительного воздействия ионов. Т.о. он оказывает влияние на скорость протекания коррозии, стойкость металлов к окислению в агрессивных средах. [8, cc. 889- 896]
В данной исследовательской работе использован графен по причине обладания им особыми свойствами: механическими, оптическими, гидрофобными, антикоррозийными, а также такими, как эластичность, прочность, устойчивость к воздействию химических веществ; кроме того, была использована полиэстерная ткань, обладающая такими свойствами, как эластичность, прочность, гидрофобность. В исследовании применялось нетканое полиэстерное полотно, дополненное графеном.
Нетканое полиэстерное полотно различной толщины, с добавлением резины (полиэфирной смолы) и различным процентным содержанием порошка графена наносилось при помощи аппликаторного устройства. Готовый композит накладывался на металл (железо). Учитывая способ производства нетканых материалов, можно проследить, что между волокнами нетканых материалов образуется пространство, наполняемое графеном и полиэфирными смолами, что увеличивает антикоррозийные свойства, прочность и другие качества графеновых текстильных покрытий. Изготовленные образцы были исследованы (подверглись испытаниям) на антикоррозионные и антимикробные свойства, прочность ткани и гидрофобность (устойчивость ткани к проникновению воды).
-
Экспериментальный раздел.
- Использованный материал.
В данной исследовательской работе были использованы материалы, указанные в таблице.
Таблица 1
Технические характеристики использованных материалов.
|
№ п/п |
Материал |
Технические характеристики |
Производитель |
|
1 |
Нано-порошок графена |
Молекулярный вес 60 нанометров |
Компания «Супермаркет», Америка |
|
2 |
Нетканое полиэстерное полотно |
Вес 45 гр/м2 Толщина 0,35 мм |
Компания «Спанванд», Тегеран |
|
3 |
Полиэфирная смола Shining Crystal Coating |
На основе кополимера винилостат |
Компания «Негинсанат Шахрезиба» |
|
4 |
Карбоксиметил целлюлоза (СМС) |
Химическая формула СН2СО2Н, чистота 99/5 |
Компания «Merck», Германия |
|
5 |
Концентрированная серная кислота (H2SO4) |
Чистота 99/8 |
Компания «Merck», Германия |
|
6 |
Гидроксид натрия (NaOH) |
Чистота 98 |
Компания «Merck», Германия |
|
7 |
Силиконовые пеногасители |
- |
Компнаия «Нарин Шими» |
2.2. Способ изготовления образцов.
В данной исследовательской работе вначале были оптимизированы количество и размер графенового порошка. Оптимизированный графеновый порошок составлял 02/0, 04/0, 08/0 и 16/0 процентов при оптимизированном размере 50, 100, 150, 200 и 400 микрон и 1 мм соответственно.
Затем графеновый порошок с полиэфирной смолой, порошком метилцеллюлозы и пеногасителем были смешаны в механическом мешателе на скорости 2600 оборотов в минуту. После калибровки кэш-устройство растягивало материал до желаемого размера, раствор полиэфирной смолы капельно наносился на поверхность ткани (в соответствии с желаемой толщиной), после чего с помощью лезвия распределялся по всей рабочей поверхности, т.о. обеспечивая равномерность и гладкость.
2.3. Испытания на Потенциостате-Гальваностате (коррозия)
Для анализа коррозии применялось устройство потенциостат-гальваностат модели Сompact State (изготовлен в Голландии) для электросинтеза и спектроскопии электрохимических и спектроскопических констант (с фиксированным потенциалом) в соответствии со стандартными условиями. Для осуществления электрохимических исследований образцы были помещены в стеклянные пробирки с тремя электродами: вспомогательный электрод или противоэлектрод, выполненный из платины, электрод Ag/AgCl, как эталонный электрод (электрод сравнения), и образцы с покрытием площадью 1 см2 в качестве рабочего электрода с диапазоном потенциала 1–2/0 вольт и частотой 0/01–100000 Гц, которые погружались в раствор и сразу же фиксировался потенциал. Для анализа кривой скорости коррозии применялась программа Ivium. Для определения скорости тока коррозии металла в соответствии с законом Фарадея использовалось уравнение (1).
Уравнение (1):
Где Rm — скорость коррозии, М — атомная масса железа, n количество электронов, смещенных при процессе коррозии, F — константа Фарадея (96.485 С.mol), ρ — плотность, icorr — ток коррозии.
Скорость коррозии металла зависит от скорости катодных и анодных процессов. Когда ток поступает извне, скорость катодных и анодных реакций изменяется таким образом, что разница между катодом и анодом соответствует поступающему извне току. Т.о. потенциал металла при выполнении данного условия изменяется по сравнению с условиями, в которых не поступает внешний ток. Следовательно, обеспечивая соблюдения указанного действия при постоянном потенциале, можно получить информацию о катодных и анодных реакциях.
1.3.2. Антимикробные (антибактериальные) испытания.
Для анализа и оценки антимикробной активности был использован метод AATCC100–1993. При выполнении данного испытания необходимым условием является соответствие со стандартными условиями бактериальной плотности 1–2×105 (индикатор микроорганизмов). В данном исследовании мы рассматривали золотистый стафилококк (S. Aureus) и граммположительные микроорганизмы, бактерии (E. Coli) Coli Escherichia, характеризуемые индикатором ATCC25932, а также Грамотрицательные микроорганизмы.
Для определения антимикробной активности образцов мы использовали уравнение (2).
Уравнение (2): = сокращение числа бактерий (%)
Где: А — контрольный образец, В — завершающий образец.
Для определения объема осеменения одной инокуляционной петли используется 24-часовая культура микроорганизмов, разбавленная физиологическим раствором с содержанием соли 0/009 гр/л (стандарт Мак Фарлена). На первом этапе раствор добавляется в 20 мл питательного бульона как предкультуральная среда, которая через 5 часов подогревается до температуры 370С при вращении 150 оборотов в минуту. Из полученных 250 мл суспензии микроорганизмов в культурной среде, 50 мл использовалось для инокуляции 50 мл агаровой питательной среды в качестве окончательной культуры, с интервалами 0, 1, 2 и 3 часа, с использованием метода спектрофотометрии при длине волны 600 нанометров и подсчетом живых клеток по методу Plate Count. На основе этого при поглощении света 0/005 и соответствующей клеточной плотности для обоих бактерий использовался индекс (1–2×105).
1.3.3. Испытание на прочность.
Измерение прочности образцов осуществлялось при помощи устройства, измеряющего плотность Testometric СТ 25–50М в соответствии со стандартом ASTM D5035.
Для определения предела прочности (растяжения) до разрыва ткани покрытия каждого образца было подготовлено 5 базовых образцов размером 30×6 см, расстояние между челюстями (аппарата) составляло 20 см.
1.3.4. Анализ измерения гидрофобности образцов
Анализ измерения гидрофобности образцов проведен согласно стандарту 39 АТСС. Берт был наполнен дистиллированной водой и расположен на расстоянии 6 мм от горизонтальной поверхности образца, при этом было дано время на падение и распространение (распределение по поверхности) капли. Ткань, расположенная под углом 45о и освещенная, рассматривалась с противоположных сторон. Когда диффузное отражение от жидкости бледнело (более не просматривалось), таймер останавливался.
- Результаты иих обсуждение.
3.1. Результаты испытаний на коррозионную стойкость.
Результаты коррозионных изменений у конечных образцов с графеновым слоем без нетканого полиэстерного полотна приведены в таблице 2, результаты коррозионных изменений у конечных образцов с графеновым слоем на основе нетканого полиэстерного полотна приведены в таблице 3.
Таблица 2
Результаты коррозионных изменений уконечных образцов сграфеновым слоем без нетканого полиэстерного полотна
|
|
A |
B |
C |
D |
|||
|
a |
b |
a |
b |
a |
b |
||
|
ток |
2 |
48 |
68 |
36 |
59 |
19 |
15 |
|
потенциал (V) Ecorr |
-0/11 |
-2/78 |
-3/94 |
-2/08 |
-3/42 |
-1/01 |
-0/87 |
|
Cкорость коррозии ( |
0/072 |
1/36 |
2/44 |
1/29 |
2/12 |
0/68 |
0/54 |
(
)
)Rm
Где:
А — контрольный образец
Б — образец толщиной 50 микрон
а — образец с 02/0 % содержанием графена
б — образец с 16/0 % содержанием графена
В — образец толщиной 150 микрон
а — образец с 02/0 % содержанием графена
б — образец с 16/0 % содержанием графена
Г — образец толщиной 400 микрон
а — образец с 02/0 % содержанием графена
б — образец с 16/0 % содержанием графена
Таблица 3
Результаты коррозионных изменений уконечных образцов сграфеновым слоем на основе нетканого полиэстерного полотна
|
|
А |
Б |
В |
Г |
|||
|
а |
б |
а |
б |
а |
б |
||
|
Ток (μA)icorr |
2 |
48 |
52 |
21 |
42 |
11 |
8 |
|
Потенциал |
-0/11 |
-2/78 |
-3/01 |
-1/21 |
-2/43 |
-0/63 |
-0/46 |
|
Скорость коррозии |
0/072 |
0/63 |
0/97 |
0/51 |
0/97 |
0/36 |
0/44 |
Где:
А — контрольный образец
Б — образец толщиной 50 микрон
а — образец с 02/0 % содержанием графена
б — образец с 16/0 % содержанием графена
В — образец толщиной 150 микрон
а — образец с 02/0 % содержанием графена
б — образец с 16/0 % содержанием графена
Г — образец толщиной 400 микрон
а — образец с 02/0 % содержанием графена
б — образец с 16/0 % содержанием графена
Образцы, содержащие большее количество графена, на основе нетканого полиэстерного полотна (рис. 1) имеют наиболее эффективную антикоррозионную защиту.
Рис. 1. Микроскопическое электронное изображение слоя нетканого полиэстерного полотна, дополненного графеном
Увеличение слоя графена в покрытии или нетканого полиэстерного полотна, дополненного графеном, приводит к увеличению устойчивости образцов к коррозии, поскольку указанное покрытие выступает как изолирующий (барьерный) слой (рис.2.), усиливающий защиту от проникновения разрушительных ионов внутрь покрытия и, как следствие, на поверхность металла, способный таким образом снизить скорость коррозии, а также способствовать катодной защите стали.
Рис. 2. Микроскопическое изображение образования барьера от проникновения разрушительных ионов
3.2. Результаты антимикробных (антибактериальных) испытаний.
В таблице 4 отображены результаты противомикробной устойчивости нетканого полиэстерного полотна, дополненного графеном. По результатам анализа окончательного образца можно заключить: антимикробная устойчивость покрытия возрастает с усилением графенового слоя; антимикробные свойства покрытия обуславливаются антимикробными свойствами графена.
Таблица 4
Результаты анализа испытаний противомикробной устойчивости.
|
Толщина образца |
А |
Б |
В |
|||
|
перед испытанием на устойчивость кмытью |
После испытания на устойчивость кмытью |
перед испытанием на устойчивость кмытью |
После испытания на устойчивость кмытью |
перед испытанием на устойчивость кмытью |
После испытания на устойчивость кмытью |
|
|
0.02 |
51.7 |
22.8 |
56.4 |
29.9 |
85.1 |
52.5 |
|
56.8 |
26.5 |
59.2 |
40.6 |
90.6 |
56.9 |
|
|
0.04 |
65.6 |
45.9 |
75.7 |
53.3 |
95.7 |
76.4 |
|
65.9 |
49.4 |
78.8 |
56.4 |
96.2 |
79.6 |
|
|
0.016 |
77.6 |
62.6 |
91.7 |
70.7 |
97.6 |
86.9 |
|
79.7 |
64.9 |
92.1 |
73.5 |
98.4 |
89.5 |
|
А — образцы толщиной 50 микрон;
Б — образцы толщиной 150 микрон;
В — образцы толщиной 400 микрон;
2.3. Результаты испытаний на прочность.
Результаты измерения прочности были изучены в три этапа. В таблице 5 приведены результаты измерения прочности нетканого полиэстерного полотна, дополненного графеном, толщиной 150 микрон (минимальная толщина). В целом, как мы видим, при увеличении содержания графена в графеновых слоях, состоящих в промежутках нетканого полотна, влияет на возрастание предела прочности. Т. е., графеновые слои в полиэстерном нетканом полотне оказывают влияние на повышение предела прочности и ограничивают предел (длину) растяжения.
Таблица 5
Результаты измерения прочности образцов толщиной 150 микрон.
|
|
А |
Б |
В |
|||
|
а |
б |
а |
б |
а |
Б |
|
|
Усилие натяжения (кгс) |
23/99 |
27/53 |
22/03 |
26/64 |
21/48 |
25/45 |
|
Относительное удлинение при разрыве (мм) |
61/80 |
56/22 |
23/47 |
21/03 |
48/59 |
49/51 |
А- образцы, не находящиеся в кислотном или щелочном растворе.
а- образцы с содержанием 0/02 % графена;
б — образцы с содержанием 0/16 % графена.
Б –образцы, находящиеся в растворе кислоты (Раствор серной кислоты (H2SO4) с чистотой 98 %).
а- образцы с содержанием 0/02 % графена;
б — образцы с содержанием 0/16 % графена.
В — образцы, находящиеся в растворе щелочи (Раствор гидроксида натрия (NaOH, NaOH) с чистотой 99 %).
а- образцы с содержанием 0/02 % графена;
б — образцы с содержанием 0/16 % графена.
В таблице 6 приведены результаты измерения прочности нетканого полиэстерного полотна, дополненного графеном, толщиной 1 мм (максимальная толщина). В целом, как мы видим, при увеличении содержания графена в графеновых слоях, состоящих в промежутках нетканого полотна, влияет на возрастание предела прочности. Т. е., графеновые слои в полиэстерном нетканом полотне оказывают влияние на повышение предела прочности и ограничивают предел (длину) растяжения.
Таблица 6
Результаты измерения прочности образцов толщиной 1 мм.
|
|
А |
Б |
В |
|||
|
а |
б |
а |
б |
а |
Б |
|
|
Усилие натяжения (кгс) |
69/26 |
99/27 |
62/21 |
31/24 |
26/26 |
93/23 |
|
Относительное удлинение при разрыве (мм) |
13/62 |
38/58 |
31/136 |
04/135 |
84/105 |
61/149 |
А- образцы, не находящиеся в кислотном или щелочном растворе.
а- образцы с содержанием 0/02 % графена;
б — образцы с содержанием 0/16 % графена.
Б –образцы, находящиеся в растворе кислоты (Раствор серной кислоты (H2SO4) с чистотой 98 %).
а- образцы с содержанием 0/02 % графена;
б — образцы с содержанием 0/16 % графена.
В — образцы, находящиеся в растворе щелочи (Раствор гидроксида натрия (NaOH, NaOH) с чистотой 99 %).
а- образцы с содержанием 0/02 % графена;
б — образцы с содержанием 0/16 % графена.
Т.о., можно заключить, что увеличение содержания графена и толщины графенового слоя становится причиной увеличения кристаллических областей и плотности нетканого полиэстерного полотна, дополненного графеном.
2.4. Результаты испытания образцов на стойкость кпроникновению воды.
График 1 отображает результаты измерений стойкости образцов к проникновению воды относительно слоя нетканого полиэстерного полотна, дополненного графеном. Капля воды на контрольном образце (нетканого полиэстерного полотна) до дополнения (графеном) впитывается в течение 4/9 минут, после дополнения (графеном) время поглощения сокращается до 59/1 минут.
До завершения путем увеличения толщины образцов, покрытых графеновым слоем и размещения слоя нетканого материала на поверхности время впитывания 1 капли также было увеличено. Когда образцы были завершены (дополнены графеном), время впитывания 1 капли воды образцами, покрытыми графеновым слоем, по сравнению с незавершенными (недополненными) образцами, уменьшилось. Можно сделать вывод, что время впитывания 1 капли воды после дополнения графеном (повышения содержания графена) и увеличения толщины покрытия образцов уменьшилось.
Рис. 3. Результаты измерения стойкости металла к воздействию воды
- Выводы.
Цель данного исследования состояла в том, чтобы обеспечить антикоррозийную защиту металлов во всех средах и таким образом улучшить качество металлов, композитов и покрытий наличием графена с различным процентным содержанием и толщиной слоя с помощью исследования анализов антикоррозийной и противомикробной стойкости и прочности ткани, а также устойчивости ее к проникновению воды. Расчет результатов выполненных исследований доказал, что использование нетканых полиэстерных полотен, дополненных графеном, дает существенную антикоррозийную защиту.
Опираясь на данные результаты, можно представить покрытие из дополненных графеном полиэстерных тканей как подходящий вариант антикоррозийной и антимикробной защиты в промышленном применении.
Конечно, существует множество сообщений о графеновом покрытии различных металлов, таких, как никель, медь, сталь, уменьшающем явление коррозии в агрессивных средах, но научные исследования графеновых покрытий на основе нетканого полотна еще ни разу не применялись.
Литература:
- Аббаси Али. Статья, напечатанная в ежемесячной газете «Нанотехнологии», (8), мордад 1388 (август 2009). — с. 142–150
- Гаранчик Камальэддин, Хосрави Али. Окраска искусственных волокон из ацетата целлюлозы. Издательство «Джахат данешгахи». Промышленный университет Амир Кабир. 1 версия. — Тегеран, 1389 (2010). — С. 171–175.
- Мерати Али. Датгяр Мохаммад. Введение в электроформования и нановолокна. 1 версия. Издательство «Металлон», Тегеран. 1387 (2008). — С. 350–374.
- Немати С. Знакомство с наукой о полимерах и знание полимеров и основных терминов. 1 версия. Издательство «Сарвнегар», Тегеран, 1392 (2013). — С. 65–73.
- Халали Амир. Введение в различные методы производства нетканых полотен. Статья, напечатанная в ежемесячной газете «Нанотехнологии», (9). Хордад, 1389. (июнь, 2010). — сс. 63–95.
- Ashjaran, A. Oshaghi, H. Graphene as single layer of carbon atoms: Perusal on structure properties and application. Rjpbcs; Vol 5(5), 2014, pp. 5–6.
- Ciureanu, M., Wang, H. Lectures on electrochemical corrosion. Journal of The Electrochemical Society; Vol. 146(11 (, 1973, pp. 4031–4040.
- Coraux, J. Diaye, A. Structural Coherency of Graphene on. Nano Lett; Vol. 43, 2008, pp. 889- 896.
- Geim, A. Novoselov, K. (2005). Two-dimensional Gas of Massless Dirac Fermions in Graphene. Nature; Vol 438,2005, pp,197–200.
[1] web
[2] corrosion
