Mejora de la resistencia a la corrosión con una nueva tecnología de dispersantes

Publicado por Equipo de recubrimientos de alto rendimiento el 02/03/2022

A continuación, se incluyen extractos de un artículo que se publicó en la edición de enero de 2022 en European Coatings Journal, escrito por la Dra. Cathy Cooper, científica de aplicaciones de Lubrizol.

La corrosión de las superficies de metal puede ser un gran problema para la sostenibilidad, ya que reduce el ciclo de vida del producto y desperdicia la energía y los recursos invertidos en la fabricación de la estructura metálica. Esto tiene un impacto económico directo: un informe de la National Association of Corrosion Engineers (Asociación Nacional de Ingenieros en Corrosión, NACE) estima el costo mundial de la corrosión en 2.5 billones de dólares, lo que equivale al 3.4 % del producto interno bruto mundial(1). Los costos se pueden dividir en dos tipos: correctivos y preventivos. Los costos correctivos incluyen horas de mano de obra y materiales para reemplazar elementos corroídos, así como productos perdidos como resultado de fugas o accidentes que involucran infraestructura corroída. Los costos preventivos incorporan métodos para reducir la corrosión en superficies de metal, incluida la opción de aplicar un recubrimiento.

La corrosión es un proceso químico o electroquímico entre un metal y el medioambiente circundante que provoca el deterioro de la superficie(2). La información que sigue se centra en las superficies de acero donde el hierro actúa como ánodo.

La función de un recubrimiento protector es proporcionar una barrera entre el ánodo y el cátodo o el electrolito circundante. Un sistema de recubrimiento ideal debe ser impermeable al agua y al oxígeno, y no permitir el transporte de iones a través de la capa de recubrimiento. Dado que una capa protectora está diseñada para formar una barrera entre la superficie metálica y el medioambiente circundante, también se debe considerar la naturaleza de este entorno. Tradicionalmente, los recubrimientos protectores para las áreas con las condiciones más rigurosas se proporcionaban mediante sistemas a base de solventes de múltiples capas, pero hubo una creciente investigación sobre recubrimientos alternativos que tienen un contenido orgánico volátil (COV) más bajo(3). Una forma de reducir el COV de un revestimiento es emplear un sistema a base de agua.

 

La necesidad de una dispersión superior

Los científicos de Lubrizol investigaron cómo los recubrimientos a base de agua directamente sobre metal (DTM, por sus siglas en inglés) podrían optimizarse para aumentar su uso en toda la variedad de entornos de corrosión y desarrollar una tecnología novedosa para aplicaciones de recubrimientos DTM a base de agua.

Los principales componentes de una formulación de revestimiento a base de agua son el aglutinante de resina polimérica, el pigmento y un dispersante para garantizar que el pigmento permanezca lo suficientemente estabilizado en el sistema. La optimización del dispersante producirá un film seco, uniforme y sin defectos cuando el pigmento tenga un tamaño de partícula adecuado y no esté aglomerado. Es fundamental tener un recubrimiento en el que el pigmento esté lo suficientemente bien disperso para lograr un rendimiento aceptable con respecto a la corrosión.

Para investigar el desarrollo de la nueva tecnología de dispersantes de recubrimiento a base de agua DTM, los científicos de Lubrizol aplicaron su vasto conocimiento de las vías de dispersión y corrosión. El objetivo era desarrollar dispersantes para la gama de productos hiperdispersantes Solsperse™ que equilibrarían el rendimiento de la dispersión con la resistencia a la corrosión inherente.

 

La evaluación

Los científicos produjeron múltiples fórmulas a base de agua. Para evaluar el rendimiento, se probó el impacto de un dispersante sobre las propiedades de corrosión mediante una espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS) y exposición a spray salino. Se utilizó un pigmento de dióxido de titanio de rutilo, con una carga de pigmento de mezcla base del 63.3 % y un agente dispersante sobre el peso del pigmento (AOWP) del 2.7 %, a menos que se indique lo contrario. La concentración de pigmento en volumen fue del 11 % y el brillo de esta formulación fue de aproximadamente 85 a 60°.

Una vez producidas las formulaciones, se recubrieron sobre paneles de acero "QPanel" S-46 con la ayuda de un aplicador de 10 ml. Esto produjo un recubrimiento final de aproximadamente 85 μm de espesor, con un 85 % de dispersante en el film después de haberse secado a temperatura ambiente durante una semana. Estos paneles se usaron intactos para las mediciones de EIS realizadas a temperatura ambiente con una solución de cloruro de sodio al 5 % de peso.

Para los estudios de EIS se utilizó una formulación de detección, en la que la resina acrílica no estaba optimizada para la resistencia a la corrosión. Estos experimentos arrojaron datos sobre la medida en que el revestimiento de los paneles proporcionaba una barrera para el transporte de iones. Esta técnica mide la resistencia eléctrica del recubrimiento a diferentes frecuencias y se emplea un modelo matemático para obtener un valor de resistividad, Rp. Un Rp más alto denota un mejor recubrimiento.

El análisis de los datos de EIS y los experimentos de spray salino en los paneles trazados para determinar el vínculo entre la calidad de la dispersión del pigmento y la resistencia a la corrosión mostraron que los defectos del film o la dosis excesiva de un dispersante causaron un mayor grado de transporte de iones a través del film.

El análisis de los datos de EIS también reveló que el nuevo dispersante produjo una resistividad de 4.35 x 106 ohm/cm2 después de 10 días de exposición a la solución salina, en comparación con el valor estándar del mercado de 7.21 x 105 ohm/cm2. Esto indica un transporte de iones significativamente menor a través del recubrimiento que contenía el dispersante y, por lo tanto, menos corrosión.

Para lograr la mejor resistencia a la corrosión, se requiere la optimización de la estructura del dispersante, además de la optimización del nivel de carga. Se descubrió que la nueva tecnología de dispersantes permitía moler el dióxido de titanio a un AOWP del 5 % en la formulación de protección contra la corrosión, lo que generaba una resistividad de 7.95 x 106 ohm/cm2. El impacto de esta inhibición del transporte de iones en el film sobre el rendimiento ante la corrosión se puede ver claramente en las siguientes imágenes, que muestran el film después de cuatro días de exposición a la solución salina. El estándar del mercado muestra ampollas y oxidación superficial significativas, incluso después de la optimización de la carga.

Fotografías de la superficie del film después de cuatro días de exposición al 5 % de peso de NaCl (ac). Se puede ver claramente que el dispersante ofrece un rendimiento mejorado, incluso mejor que la muestra de carga optimizada del estándar del mercado.

 

Excelente resistencia a la corrosión

Los resultados en los paneles de prueba de corrosión totalmente formulados se analizaron después de cuatro semanas de exposición al spray salino. El panel sin dispersante mostró cierto aumento de trazos y ampollas alrededor de ellos, pero también significativas ampollas y defectos en el film en el área de trabajo. Esto se debió a la estabilización insuficiente de la dispersión del pigmento en este sistema, y no produciría un film de pintura adecuado para una aplicación de DTM. El panel con el dispersante estándar del mercado muestra un deterioro significativo del rendimiento ante la corrosión en relación con el panel sin ningún aditivo dispersante. Esto se debe posiblemente a la naturaleza hidrofílica de los grupos estabilizadores en un dispersante. La calidad del film mejoró mucho respecto del panel sin dispersante, pero las ampollas se extendieron más allá de los trazos. El trazo en sí creció como resultado de la corrosión en el transcurso de la exposición de cuatro semanas, lo que produjo un crecimiento final del trazado de 2.19 mm.

Paneles que estuvieron expuestos a spray salino durante cuatro semanas; se puede ver en la sección ampliada que el film sin dispersante es irregular. El nuevo dispersante produce mejor calidad de film y resistencia a la corrosión en comparación con el estándar del mercado.

El panel con el nuevo dispersante muestra una mejora significativa sobre el estándar del mercado en términos de corrosión, y sobre el panel sin dispersante en lo que respecta a las propiedades del film. Aunque hay algunas ampollas alrededor del trazo, son menos en número que aquellas para el estándar del mercado. El crecimiento del trazo fue de solo 0.90 mm y no hubo efectos adversos sobre las propiedades del film. En general, el nuevo dispersante produjo un buen equilibrio de propiedades adecuadas del film y resistencia a la corrosión.

 

(1) Informe de impacto de Nace International, Estudio de medidas internacionales de prevención, aplicación y economía de tecnologías de corrosión, marzo de 2016

(2) Revie, R. Winston. Corrosion and corrosion control: an introduction to corrosion science and engineering. John Wiley & Sons, 2008

(3) Faccini, Mirko, et al. Environment ally Friendly Anticorrosive Polymeric Coatings, Applied Sciences 11.8 , 2021, 3446

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