Compozite polimerice epoxi-lignină pentru protecție împotriva coroziunii metalelor
R.S. Komartin, B. Bălănucă, M.I. Necolau, A. Cojocaru, R. Stan
Compozitele polimerice sunt utilizate pe scară largă în diferite sectoare industriale datorită proprietăților remarcabile, făcându-le ușor adaptabile pentru numeroase aplicații, rășina epoxidică fiind unul dintre cele mai studiate și utilizate materiale în fabricarea acestor tipuri de materiale. Datorită preocupărilor tot mai mari pentru mediul înconjurător, în vederea reducerii consumului de rășini convenționale, au fost dezvoltate numeroase studii pentru obținerea de rășini epoxidice pornind de la materii prime naturale, uleiurile vegetale fiind structurile chimice preferate în sinteza de compuși epoxidați (ulei vegetal epoxidat – EVO).
Una dintre aplicațiile importante ale rășinilor epoxidice convenționale o reprezintă protecția anticorozivă, pe lângă eficiența mare de inhibare a coroziunii, acestea fiind utilizate și datorită proprietăților mecanice, stabilității termice și chimice remarcabile. Deși matricea polimerică EVO nu prezintă stabilitate termică și rezistență mecanică ridicate, prin diferite procedee de reticulare și/sau ranforsare, se obțin materiale cu proprietăți remarcabile, comparabile cu cele ale rășinilor epoxidice sintetice. Astfel, frecvența utilizării omologilor epoxidici EVO este în continuă creștere pentru fabricarea acoperirilor anticorozive, datorită avantajelor asociate acestora: originea naturală și abundența materiei prime, costul rezonabil, versatilitatea structurii chimice, reactivitatea convenabilă a grupelor epoxi, caracterul puternic hidrofob al filmelor polimerice rezultate, precum și compatibilitatea bună cu diferitele materialele de umplutură/agenți de ranforsare.
Recent, lignina, cel de-al doilea material organic ca răspândire în natură și disponibil la scară industrială, a fost investigată ca material de umplutură pentru diferite formulări de acoperiri de protecție pentru metale, inhibând coroziunea în diferite medii agresive, atât în formă neprelucrată (brută), cât și sub forma derivaților săi, asocierea ligninei funcționalizate cu rășini epoxidice convenționale în fabricarea de materiale compozite fiind recent raportată.
În contextul exploatării resurselor naturale, cu scopul de a reduce utilizarea de produse convenționale, derivate din surse neregenerabile, a fost investigat potențialul uleiului de in epoxidat (ELO) asociat cu diferite cantități de lignină kraft (LnK) în obținerea de acoperiri pentru protecție împotriva coroziunii oțelului-carbon în medii agresive. Noile materiale au fost generate printr-o procedură de întărire în două etape a formulărilor ELO-LnK: tratament cu radiație UV urmat de reticulare termică. Această procedură de întărire a fost adoptată pentru a rezolva problema sedimentării ligninei în procesele de reticulare termică pe termen lung.
Prin spectrometrie în infraroșu cu transformată Fourier (FTIR) și determinarea fracțiilor insolubile, a fost demonstrată eficiența procesului de dublă-reticulare pentru sinteza de materiale de tip ELO-LnK, iar imaginile de microscopie electronică (SEM) indică o dispersie eficientă a particulelor de LnK în rețeaua polimerică de ulei vegetal. Degradarea termică a materialelor ELO-LnK a fost investigată prin analiză termo-gravimetrică (TGA), atât în atmosferă inertă, cât și în aer, în acord cu aplicația propusă (protecție anticorozivă). Rezultatele TGA indică o stabilitate termică superioară a materialelor odată cu creșterea conținutului de LnK pentru analiza desfășurată în gaz inert (N2), în timp ce analiza în atmosferă de aer oxidant a arătat că cel mai mic conținut de LnK (5%) conduce la cel mai stabil material în aceste condiții. De asemenea, prin analiza mecanică în regim dinamic (DMA) a fost demonstrat efectul de ranforsare generat rețelei ELO de către structurile aromatice rigide ale LnK.
Studiul a continuat cu evaluarea unor parametri electrochimici, fiind stabilită performanța filmelor compozite ELO-LnK ca acoperiri de protecție împotriva coroziunii oțelului-carbon. Rezultatele au arătat o creștere semnificativă a eficienței de inhibare a coroziunii (între 140 și 380%), odată cu creșterea conținutului de LnK. Afinitatea pentru apă, o altă proprietate de mare importanță pentru aplicația vizată, a fost evaluată atât la suprafața filmelor (măsurarea unghiului de contact), cât și în masa de material (determinarea gradului de absorbție a apei), adaosurile de LnK neinfluențând dramatic acești parametri. Rezultatele obținute în urma acestor metode de investigare specifice evidențiază potențialul notabil al compozitelor ELO-LnK în aplicații industriale.
Rezultatele științifice sunt prezentate pe larg în lucrarea ”Composite Materials from Renewable Resources as Sustainable Corrosion Protection Coatings”, publicată în jurnalul Polymers (Polymers 2021, 13(21), 3792; https://doi.org/10.3390/polym13213792).