Нанотехнологии на защите металлов от коррозии



Введение. История использования металлов человеком

Нельзя точно установить, когда именно люди начали добывать и обрабатывать металлы. Можно лишь предполагать какой из металлов первым нашел практическое применение. Очевидно, это были металлы, которые встречаются в природе в чистом виде — в самородках. Тогда речь может идти только о меди и золоте. Железо тоже встречается в природе в чистом виде (в метеоритах). Но это случалось редко, еще реже можно найти самородное железо в горных породах [1].

В наше время роль металла в жизни человека огромна, это все понимают, но бывают особые случаи. Журналист В. Песков описывал жизнь старообрядцев, ушедших от людей в сибирскую тайгу в конце 20-х годов прошлого века: «Слово дефицит Лыковым неизвестно. Но именно этим словом они назвали бы постоянную нехватку железа. Все, что было взято с заимки — старый плужок, лопаты, ножи, топоры, рашпиль, пила, рогатина, клок толстой жести, ножницы, шило, иголки, мотыги, лом, серп, долото и стамески, — все за многие годы сточилось, поизносилось и поржавело. Но ничто железное не выбрасывалось». На фотографиях запечатлены инструменты «изъеденные временем и точильными камнями» [2].

Коррозия металлов

Используя металлы, люди обратили внимание на то, что некоторые металлы со временем меняют цвет, строение, прочность. Коррозия металлов и в наше время распространенное явление. Например, предмет из железа при коррозии, покрывается ржавчиной и в некоторых случаях полностью разрушается. Металл как бы стремится перейти в то соединение, в котором существует в природе [3].

Fe²⁺ + 2H₂O Fe(OH)₂ + 2H+

Fe³⁺ + 3H₂O Fe(OH)₃ + 3H+

Коррозия металлов — физико-химическое взаимодействие металла со средой, ведущее к разрушению металла. При коррозии происходит гетерогенное окисление металла или кого-либо другого компонента металла. В зависимости от характера среды различают газовую коррозию, атмосферную коррозию, почвенную коррозию, биокоррозию, коррозию в маслах и смазках и т. д. Важнейший фактор, тормозящий коррозию металлов — пассивность металла. Коррозия металлов ускоряется под действием таких эксплуатационных факторов, как трение, радиация, высокая скорость потока среды. Коррозионная усталость проявляется при одновременном воздействии на металл цикличных растягивающих напряжений и коррозионной среды. Характеризуется понижением предела усталости металла по сравнению со значением, определяемым в воздухе.

Вред от продуктов коррозии. Судьба железа

Из-за коррозии ежегодно теряется до 1,5–2 % металлического запаса, что вместе с затратами на защиту от коррозии приводит к прямым потерям (14 млрд. рублей в СССР в 1974, 15 млрд. долларов в США в 1975). Полные потери от коррозии металлов с учетом аварийных простоев, снижения выпуска и качества продукции и т. п. достигли в США 50 млрд. долларов. Основная часть потерь связана с коррозией технического железа.

Человечество затрачивает колоссальные усилия и энергию на то, чтобы выделить и сконцентрировать металлы, чтобы их использовать для изготовления транспортных машин и механизмов, станков, трубопроводов и многого другого, необходимого современному человеку. Мощные горнодобывающие предприятия добывают железную руду, гигантские индустриальные комбинаты вырабатывают металлическое железо, которое является основой современной промышленности. Однако в процессе хозяйственного использования металла, огромное количество его истирается, распыляется во время работы различных машин и механизмов. Около четверти ежегодно выплавляемой стали уничтожается коррозией (рис. 1, 2), теряется при транспортировке и на производстве. Люди борются с этим, возвращая часть испорченного металла на переплавку, но при этом также происходят невосстанавливаемые потери. Если принять, что за все историческое время было извлечено 20 млрд. т. железа, причем 14 млрд. т. рассеялось, то содержание этого металла на поверхности Земли должно увеличиться [4].

Рис. 1, 2

Долговременный эксперимент

С октября 2009 года в школе проводится эксперимент с целью выяснить, какие изменения происходят с образцами мусора во влажной земле и на поверхности земли. Образцы помещены в специальный ящик, и регулярно поливаются водой. Все завернуто в полиэтилен. Периодически производится осмотр, а результаты записываются в журнал (рис. 3, 4).

Рис. 3, 4

Промежуточные результаты эксперимента показали, что часть образцов подверглась изменению, а другая часть нет. Ржавчина появилась на цоколе электрической лампы, на гвозде, на банке из-под тушенки, на металлической крышке из-под напитков; зеленые пятна на меди.

Эксперименты по электрокоррозии

Эксперимент № 1: в ящик с влажной землей были помещены две пары пластин цинк-медь. Одна пара была спаяна, а вторая нет. Точно такие же пластинки находились вне ящика.

Эксперимент № 2: в ящик с влажной землей были помещены две свинцовые пластинки. Одна была закопана в землю, а вторая оставлена на поверхности. Еще одна пластинка лежала на воздухе.

Результаты эксперимента № 1: на спаянных пластинках образовались большие каверны. На неспаянных пластинках каверны были меньше. Пластинки, которые лежали на воздухе практически не изменились.

Результаты эксперимента № 2: на пластинке, помещенной в землю, появились многочисленные беловатые пятна. На пластинке, лежащей на влажной земле, белых пятен было меньше, и они располагались на той стороне, которая контактировала с землей. Пластинка, которая была на воздухе, в помещении практически не изменилась.

Эксперимент № 3: Во влажную землю были помещены пластины меди и цинка, к которым был присоединен цифровой мультиметр. Измерение в режиме вольтметра позволили определить разность потенциалов. Она составляла 0.77–0.78 В (рис. 5).

Рис. 5

По результатам экспериментов можно сделать вывод, что при контакте образцов с влажной землей и воздухом происходит увеличение скорости коррозии металлов. Скорость коррозии металлов увеличивается при контакте двух разных металлов (цинк-медь и т. д.)

Защита от коррозии

Роль покрытия как средства защиты от коррозии большей частью сводится к тому, чтобы изолировать металл от внешней среды. Этого можно достичь в том случае, когда пленка на поверхности металла сплошная и плотная.

Как выбрать то, или иное покрытие, зависит от условий, в которых находится металл.

Покрытия
металлические	неметаллические	химические
Цинкование	Лаки	Фосфатирование
Алюминирование	Краски	Оксидирование
Меднение	Смолы	Окрашивание цветных металлов
Хромирование	Резины
Никелирование	Эмали
Золочение	Цемент
Серебрение	Бетон и др.

Коррозионностойкие сплавы на основе железа, как правило, содержат не менее 12 % Cr; другими компонентами могут быть Ni, Mo, Cu, Ti, Nb. Из этих сплавов наиболее распространены стали [1].

Графеновый прорыв

Как известно, углерод встречается в природе в различных формах — графит, уголь, алмаз. Недавно к ним добавилась еще одна — графен.

Графен представляет собой тончайшую пленку (толщиной в один атом) из тех же атомов углерода. Этот материал был получен исследователями Константином Новоселовым и Андреем Гейм (рис. 6) в 2004 г. невероятно простым путем. Ученые провели графитовым карандашом по бумаге, а затем «промокнули» ее скотчем. В результате на скотче остался тончайший слой углерода

Рис. 6.

Наловчившись получать такие пленки, ученые стали исследовать свойства графена. И выяснили, что графеновые пленки обладают высокой прочностью, гибкостью, тепло- и электропроводностью, а главное стабильностью свойств. Недавно выяснилось, что графен по подвижности электронов превосходит все известные на сегодня вещества и в 20 раз выше, чем в арсениде галлия [5]. Это открывает блестящие возможности разработки более скоростных компонентов схем микроэлектроники. Кроме того, графеновые пленки могут быть весьма эффективны в качестве покрытий экранов мобильных телефонов и элементов солнечных батарей.

Одиннадцать лет назад были определенные препятствия на пути внедрения графеновых структур в производство. Их делали практически вручную.

В настоящее время «По словам нобелевского лауреата Константина Новоселова, «графеновая лихорадка» началась во многом потому, что поразительное разнообразие свойств графена обеспечивает многочисленные возможности его промышленного использования. «На самом деле, возможности практически безграничны, — уверяет К. Новоселов. — А, потому и область применения постоянно расширяется»…

Более того, графен хорош для создания материалов «под заказ». Например, из него можно делать гибкие полупроводники. Между тем еще одной замечательной характеристикой графена является непроницаемость. Такое свойство будет полезным при создании водолазных и космических скафандров. Стоит отметить также способность графена к самовосстановлению. При повреждении кристаллической решетки атомы графена подтягивают к себе свободные атомы углерода, заполняя по мере необходимости образовавшиеся «дыры» (рис. 7).

Рис. 7.

Мои предложения по защите металлов от коррозии спомощью нанотехнологий

Бывает так, что новые трубы, недавно сошедшие с заводского конвейера, уже имеют следы коррозии, необходимо защищать изделия от коррозии уже на выходе с конвейера. Можно начать с труб.

Рис. 8

На рисунке 8 изображена возможная схема технологической установки покрытия труб, графеновыми пленками. На металлургическом заводе, в конце производства трубы, ее пускают через специальный цех. Там труба покрывается графеном снаружи и изнутри с помощью специального механизма.

Литература:

1. Беккерт М. Мир металла. М. Беккерт / Москва 1980. С. 9–10
2. Песков В. Все это было… В. Песков Книжный клуб Книговек. 2011
3. Балезин С. А. Отчего и как разрушаются металлы. С. А. Балезин / Москва «Просвещение» 1976.
4. Николаев С. Графеновый прорыв. С. Николаев. // Юный техник 2008. № 12. С. 16–21
5. Николаев С. Вещество, которое изменит мир. С. Николаев. // Юный техник 2015. № 10. С. 22–27