Desarrollo y análisis de desempeño de una matriz libre de zinc

Abstract

El principal material de construcción es el acero, que está compuesto principalmente por hierro y carbono. Puesto que el hierro no se encuentra en su forma más estable, las estructuras de acero tienden a oxidarse, situación que se ve favorecida bajo condiciones ambientales agresivas, tales como áreas industriales o zonas costeras con alta salinidad. A nivel global se invierten grandes cantidades de dinero con el fin de evitar la corrosión. Para ello existen diferentes alternativas las cuales consideran tratamiento químico, protección catódica y revestimientos orgánicos e inorgánicos. Los revestimientos orgánicos forman películas aislantes las cuales impiden el ingreso de agentes oxidantes tales como agua y oxígeno. Dentro de esta categoría destacan los revestimientos epóxicos, los cuales presentan una mayor cantidad de grupos funcionales disponibles durante la polimerización, en comparación a otros polímeros, los cuales facilitan el entrecruzamiento del polímero y la formación de una red más homogénea la cual genera un revestimiento de baja permeabilidad. Los revestimientos ricos en zinc son los principales exponentes del grupo de revestimientos inorgánicos y están compuestos principalmente por etil silicatos y zinc. Estos entregan una protección catódica, es decir, disminuyen la velocidad de la reacción catódica en la celda electroquímica formada. Esto es posible puesto que el zinc presenta un potencial de reducción menor en comparación al hierro, por lo tanto, el zinc se oxidará antes, dando paso a la formación de óxidos e hidróxidos de zinc los cuales se depositan en la superficie del sustrato, generando una barrera aislante, mientras que los electrones generados producto de la oxidación permiten la reducción del hierro que pudiese encontrarse en solución. Esta clase de revestimientos tienen una vida útil superior a los 40 años en ambientes altamente corrosivos, duplicando el desempeño otorgado por otra clase de revestimientos. Aunque el zinc es uno de los mejores inhibidores de corrosión en relación costo – desempeño, para que este otorgue la protección catódica debe encontrarse en altas concentraciones (80% de zinc en película seca). Esto implica que, debido a los contaminantes encontrados en el zinc metálico (0,005% p/p de plomo y 0,05% p/p de cadmio) esta clase de revestimientos sean altamente tóxicos. Por otra parte, la Dirección General de Movilización Nacional (DGMN) otorga un certificado a las industrias, el cual en contexto de pandemia se ha visto retrasado, para el almacenamiento y comercialización de estos productos debido a su utilización en armas y explosivos. Este proyecto busca el desarrollo de matrices libres de zinc metálico, las cuales puedan asemejar el comportamiento de los revestimientos ricos en zinc. Para ello se realizaron ensayos en los cuales mediante espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS) se determinaron los inhibidores y conductores de mejor desempeño disponibles en el mercado. La incorporación de un conductor en la formulación permitió mejorar el contacto eléctrico ente las partículas, asegurando una mejor distribución de los inhibidores en la superficie y mejorando el desempeño de los revestimientos formulados. La combinación de ortofosfato de zinc y aluminio hidratado y un derivado de amina como inhibidores sumados a la incorporación de nanotubos de carbono como conductor permitió mejorar 4 veces el desempeño de un revestimiento estándar sin inhibidores ni conductores, mas no fue capaz de asemejar a un producto rico en zinc, el cual permitió mejorar 16 veces el desempeño del mismo revestimiento estándar. No obstante, la misma combinación de inhibidores y conductor en una matriz menos permeable podría generar resultados más alentadores, obteniendo revestimientos menos tóxicos a costos similares.

The main building material is steel, which is mainly composed of iron and carbon. Since iron is not in its most stable form, steel structures tend to rust, a situation that is favored under aggressive environmental conditions, such as industrial areas or coastal areas with high salinity. Globally, large amounts of money are invested to avoid corrosion. For this there are different alternatives which consider chemical treatment, cathodic protection, and organic and inorganic coatings. Organic coatings form insulating films which prevent the entry of oxidizing agents such as water and oxygen. Within this category, epoxy coatings stand out, which have a greater number of available functional groups, compared to other polymers, which facilitate the cross-linking of the polymer and the formation of a more homogeneous network which generates a low permeability coating. Zinc-rich coatings are the main exponents of the group of inorganic coatings and are mainly composed of ethyl silicates and zinc. These deliver cathodic protection, that is, they slow down the cathodic reaction in the electrochemical cell formed. This is possible since zinc has a lower reduction potential compared to iron, therefore, zinc will oxidize earlier, giving way to the formation of zinc oxides and hydroxides which are deposited on the surface of the substrate, generating an insulating barrier, while the electrons generated as a result of oxidation allow the reduction of iron that could be found in solution. This class of coatings have a service life of more than 40 years in highly corrosive environments, doubling the performance given by another class of coatings. Although zinc is one of the best corrosion inhibitors in relation to cost-performance, for it to provide cathodic protection it must be found in high concentrations (80% zinc in dry film). This implies that, due to the contaminants found in metallic zinc (0.005% w/w lead and 0.05% w/w cadmium) this class of coatings are highly toxic. On the other hand, the General Directorate of National Mobilization (DGMN) grants a certificate to industries, which in the context of the pandemic has been delayed, for the storage and commercialization of these products due to their use in weapons and explosives. This project seeks the development of metal zinc-free matrices, which can resemble the behavior of zinc-rich coatings. To this end, tests were carried out in which electrochemical impedance spectroscopy (EIS) determined the best performing inhibitors and conductors available on the market. The incorporation of a conductor in the formulation allowed to improve the electrical contact between the particles, ensuring a better distribution of the inhibitors on the surface and improving the performance of the formulated coatings. The combination of zinc orthophosphate and hydrated aluminum and an amine derivative as inhibitors added to the incorporation of carbon nanotubes as a conductor allowed to improve 4 times the performance of a standard coating without inhibitors or conductors but was not able to resemble a product rich in zinc, which allowed to improve 16 times the performance of the same standard coating. However, the same combination of inhibitors and conductor in a less permeable matrix could generate more encouraging results, obtaining less toxic coatings at similar costs.