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Proteção “ecologicamente correta” contra corrosão a partir de aditivos de grafeno

por Letícia Nogueira | 16/04/2021

Uma alternativa de menor impacto ambiental utiliza grafeno para diminuir o processo de corrosão

O maior desafio quando falamos de estruturas metálicas é mantê-las protegidas do processo de corrosão. Segundo dados publicados pela Organização Mundial da Corrosão, o processo químico causa US $ 2,5 trilhões em danos às estruturas de aço todo ano. Esse valor representa cerca de 3 a 4% do PIB anual de países industrializados.

Atualmente, o processo de corrosão é reduzido com o uso de procedimentos como galvanização em zinco, cromo e entre outros metais. Mas, quando falamos de ambientes propícios a altas atividades corrosivas, a utilização de primers de zinco são muito frequentes. Ademais, quando considerado ambientes de médio e baixo atividade, os primers com pigmentos de corrosão passivos (fosfato) são utilizados. É importante destacar que nessas duas últimas situações, o uso de camadas de tinta após o primer é necessário.

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Com a norma ISO 12944-2018, novos primers foram introduzidos ao mercado para atender aos novos requisitos de proteção contra corrosão, sendo constituídos de zinco e pigmentos adicionais. O problema é que o pó de zinco utilizado é altamente tóxico para a vida marinha, e vem sendo exigido que haja a redução no uso desse componente químico. E, com esse problema à vista, Bernhard Münzing propôs o uso de grafeno na solução desses químicos para que haja um menor impacto ambiental.

A monocamada do grafite possui uma ótima resistência mecânica, elétricas e térmicas. Além disso, ele pode absorver átomos ou moléculas e ser usado de forma funcional quando ligado a grupos químicos. Quando utilizado em um meio corrosivo, a propriedade condutora do grafeno interfere no processo de oxidação eletroquímica, amenizando a reação. Não sendo o bastante, ele auxilia para que a camada química colocada sobre o meio, possa aderir de maneira mais eficiente. É importante destacar que o uso do grafeno deve ser feito com o auxilio de um segundo pigmento anticorrosivo.

A formulação do conceito e o desenvolvimento

Os desenvolvedores relatam que durante o estudo do químico, algumas observações foram fundamentais para o andamento, como: pó de grafeno deve passar por um intenso processo de dispersão, além de ser desaglomerado pelo primer; e de que, adicionar grafeno de maneira não apropriada a uma superfície, pode acelerar o processo de corrosão.

Essa função do grafeno na atividade anticorrosiva se deve ao fato de que, quando levada em consideração a espessura de um filme seco – lateral em mícrons e espessura em nanômetros – a quantidade de partículas de grafeno é notoriamente maior do que quando compara com barreiras formadas por pigmentos padrões. E, como a água procura espaços para que possa entrar em contato com a superfície, em camadas mais espessas, a taxa acaba sendo menor.

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Outro fato importante que foi analisado é de que a resistência está atrelada a quantidade de grafeno e do tipo de pigmento utilizado. Como não há uma lei geral para essa situação, é necessário realizar testes para a obtenção dessa análise de resistência em cada caso. Além disso, se sabe que a utilização de pó de zinco como segundo pigmento, faz com que o grafeno fortifique a rede condutiva entre as partículas de zinco. Ademais, o grafeno pode doar elétrons dos orbitais sp2 para o zinco ou para os prótons da água ácida, dificultando os ácidos de atacarem o aço.

Vale salientar que o grafeno não prejudica a adesão de outros revestimentos sobre a superfície, quando é utilizado os químicos nas proporções adequadas. Em alguns casos, o grafeno pode até auxiliar na adesão dos revestimentos.

O produto gerado

Com todas as constatações apresentadas acima, o grupo de cientistas da “The Sixth Element” formularam o primer de epóxi 2K (25% de pó de zinco e 1% de grafeno por peso de filme seco). No teste feito com spray de sal (50 ± 5 g de cloreto de sódio por litro de água a 35 ± 2 ° C) e uma camada do primer (espessura de filme seco de 50 µm), foi possível constatar que o químico consegue aguentar até 3.000 horas nesse ambiente.

A imagem abaixo representa a superfície com apenas 2.400 horas de experimento. Foi realizado um corte no material antes, para que ficasse claro o resultado de proteção do primer. Com isso, concluiu-se que o primer permaneceu intacto em todo o experimento, em especial nas bordas de risco, deixando claro sua eficácia.

Resultado do primer em duas placas de aço. A imagem apresenta duas placas, uma com um corte na vertical e o outro com um corte na horizontal.
Resultado do teste de névoa. Fonte: Physics World

A primeira aplicação do produto fora de condições de laboratório foi em 2015, em um parque eólico, e o resultado foi extremamente favorável. Assim, os desenvolvedores do produto passaram a realizarem análises para encontrarem a melhor formula para comercialização do químico.

A imagem apresenta uma turbina de energia eólica vista debaixo
Uma turbina revestida por um primer com composição de grafeno. Fonte: Physics World

Como tornar esse um processo possível de ser industrializado?

Sabemos que a produção industrial de grafeno é um dos desejos da maior parte dos engenheiros e cientistas. Algumas pesquisas já sugeriram diversas vertentes de uma produção industrial do grafeno. Um exemplo deles é o CVD (disposição química do vapor), com foco na indústria eletrônica. Em uma atmosfera rica de carbono, é depositada uma camada de átomos de carbono em um substrato. Assim, cria-se folha de alta condutividade elétrica.

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Um segundo exemplos de industrialização do processo é o método Hummers, mas modificado. Nele, o grafite é oxidado e, em seguida, passa por etapas de redução em uma atmosfera inerte, produzindo diferentes tipos de grafeno. Em outros processos, são incluídas etapas de esfoliar camadas de grafeno por um processo eletroquímico patenteado.

Esses dois últimos processos, normalmente, produzem grafenos de poucas camadas. Isso faz com que sejam ofertados em forma de pó ou dispersos em solventes (água e sistemas poliméricos). Esses produtos ofertam grafeno em partículas primárias de tamanhos laterais de 1 µm a mais de 50 µm, e uma espessura de alguns nanômetros (varia de acordo com o número de camadas).

O que passa pela mente nesse momento é que o grafeno gerado não é um produto puro. Porém, as propriedades mecânicas, de condutividade elétrica ou térmica, são extremamente próximas às do grafeno nessa composição. O que garante que o uso do químico seja eficiente na proteção contra o processo de corrosão.

O que se espera do futuro?

Depois de verem como o grafeno possui um ótimo comportamento nessa situação. Os cientistas e engenheiros esperam poder combinar o material com outros matérias, como fosfato e outros pigmentos de proteção contra corrosão. Para que assim consigam reduzir cada vez mais a utilização de zinco. A ideia é que a formação de barreira pelo grafeno seja a atuante primordial contra o processo corrosivo, mas que também haja a proteção por reação química também.

Além disso, com as novas normas ambientais, como a ISO 12944-2018, os fabricantes desses protetores químicos possuem grandes desafios para a formulação de produtos eficientes e de menor impacto ambiental. Fazendo com que acreditem cada vez mais que o grafeno pode ser a chave para a formulação de produtos muito melhores e “eco-friendly”.

Fonte: Physics World

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Letícia Nogueira Marques

Estudante de Engenharia de Materiais pela UFABC. Acredito que não há nenhum sonho que não possa ser realizado com um pouco de disciplina e criatividade.