VINACHEM

Ăn mòn kim loại là một trong những thách thức lớn nhất đối với các ngành sản xuất công nghiệp, gây thiệt hại khoảng 2,5 nghìn tỉ USD mỗi năm trên toàn thế giới, tương đương 3% GDP toàn cầu và cao hơn 30% tổng chi tiêu quân sự của các nước trên thế giới hiện nay. Kiểm soát chống ăn mòn là vấn đề hết sức quan trọng đối với an toàn và hiệu quả vận hành của máy móc thiết bị. Nhiều tai nạn bi thảm và có sức tàn phá lớn như rơi máy bay hoặc nổ đường ống dẫn dầu đã có liên quan với hiện tượng ăn mòn.

Giải pháp thông thường nhất cho vấn đề này là sử dụng các chất chống gỉ, đây là những phụ gia và lớp phủ có tác dụng làm giảm tốc độ ăn mòn. Cho đến gần đây, cromat (VI) là phụ gia chống gỉ được sử dụng rộng rãi nhất vì hiệu quả cao. Tuy nhiên, cromat (VI) có độc tính đặc biệt cao, có thể gây ung thư và làm tan máu, dẫn đến suy thận và gan. Vì vậy, năm 2019 EU đã cấm sử dụng cromat (VI). Quyết định này đặt các ngành công nghiệp trước một thách thức lớn. Khi không còn phụ gia hiệu quả cao như cromat (VI), các công ty bắt buộc phải sử dụng các chất thay thế với hiệu quả thấp hơn.

Vừa qua, các nhà nghiên cứu tại Đại học Swansea (Anh) đã phát hiện một cơ chế chống gỉ mới, an toàn hơn và có hiệu quả cao gấp 10 lần so với các chất thay thế tốt nhất hiện nay trên thị trường.

Cơ chế chống gỉ mới

Khi kim loại chịu tác động của oxy và hơi ẩm, nó sẽ hoạt động như anôt, tan vào dung dịch và giải phóng điện tử, khử oxy thành các ion OH-. Nếu kim loại được sơn phủ, natri có thể có mặt trong hơi ẩm (ví dụ từ nước biển) sẽ xâm nhập xuống dưới lớp sơn, liên kết với các ion OH- ở phía khử của catốt, tạo ra NaOH. Đáp lại, NaOH mới tạo thành sẽ tác động lên lớp sơn, làm suy yếu tiếp bề mặt giao diện giữa lớp sơn và kim loại. Nếu muốn bảo vệ kim loại chống gỉ, chúng ta phải phá vỡ chu trình này. Cromat (VI) thực hiện việc này rất hiệu quả bằng cách tạo thành lớp mỏng trên bề mặt, ngăn không cho hơi ẩm hoặc oxy tiếp xúc với kim loại. Cromat (VI) cũng cạnh tranh với oxy ở phía khử của catốt và được khử thành dạng Cr3+, sau đó Cr3+ sẽ phản ứng với các ion OH- ở phía catốt, tạo thành chất kết tủa không tan, ngăn cản sự vận chuyển ion natri xuống phía dưới lớp sơn phủ.

Trong quá trình tìm kiếm phương án thay thế cho cromat (VI), các nhà khoa học tại Đại học Swansea đã khảo sát khả năng lưu giữ những tác nhân chống gỉ dưới lớp sơn và chỉ giải phóng những hóa chất đó khi có dấu hiệu kích hoạt từ môi trường. Những chất chống gỉ mà họ sử dụng là những hóa chất có khả năng di chuyển nhanh, trước đây những nỗ lực sử dụng chúng đã không thành công do chúng dễ dàng tương tác với lớp sơn trong quá trình sơn và không để cho sơn hóa rắn.

Các nhà nghiên cứu Anh đã sử dụng công nghệ hạt chứa cỡ micro để lưu giữ các chất chống gỉ, khiến cho chúng không thể tương tác trong quá trình sơn và chỉ sẵn sàng được giải phóng khi các hạt chứa chịu tác động của môi trường gỉ, ngoài ra chúng sẽ nằm im không hoạt động.

Chất chống gỉ mới được bán ra như phụ gia chống gỉ với thương hiệu Intelli-ion, dùng cho các lớp sơn phủ. Chất chống gỉ được liên kết với bột màu sơn nhưng không hoạt động cho đến khi cần. Khi xảy ra hiện tượng ăn mòn, các ion sinh ra trong quá trình đó sẽ tác động lên các hạt chứa micro để chúng giải phóng bột màu về phía bề mặt kim loại, tại đó các chất chống gỉ sẽ phát huy tác dụng. Các hạt micro cũng tiếp nhận các ion sinh ra trong quá trình ăn mòn, ngăn không cho chúng di chuyển đến bề mặt kim loại. Các chất chống gỉ được giải phóng nhanh và tạo ra lớp nano trên bề mặt kim loại, hình thành cái gọi là khung polyme hữu cơ. Sự kết hợp của khung này với các ion kim loại tan trong dung dịch tạo thành màng kỵ nước, vì vậy về cơ bản đây là một cơ chế tự chữa lành.

Trong các thử nghiệm đã thực hiện, hệ thống chống gỉ mới được xác định là bền hơn cromat (VI) cũng như các chất thay thế khác không chứa crôm.

Sản phẩm mới cũng có thể được kết hợp với các phụ gia chống gỉ khác hiện có trên thị trường, ví dụ kẽm phốtphat. Về lý thuyết, kẽm phốtphat cần phải hòa tan dưới lớp sơn ở hàm lượng đủ cao để cho phép các ion phốtphat tạo thành màng trên bề mặt kim loại. Nhưng thời gian cần thiết để đạt được việc đó khá dài nên không kịp ngăn quá trình ăn mòn. Nhờ bản chất hoạt động nhanh nên chất chống gỉ mới cho phép kẽm phốtphat có thời gian để liên kết với các lớp đã hình thành trên bề mặt kim loại, tạo ra lớp chống gỉ tốt hơn.

LH, theo ChemistryWorld 3-2020