초소수성 PTFE 및 나노실리카 코팅의 부식 성능 평가

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 17059(2022) 이 기사 인용

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금속의 부식 방지는 다양한 산업 분야에서 가장 중요합니다. 이 현상으로 인한 손상 효과를 방지하거나 줄이기 위한 최신 기술 중 하나는 취약한 표면에 초소수성 코팅을 적용하는 것입니다. 본 연구에서는 나노실리카 하이브리드 필름의 1단계 전착 공정과 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 강철 표면에 분사하는 공정 및 마이크로/나노 복합 코팅 제조를 통해 초소수성 코팅을 제조함으로써 강철의 부식 방지를 연구합니다. 프라이머 층에 Al2O3 분말과 유리 비드를 포함한 두 가지 유형의 미세 입자를 사용한 나노실리카 하이브리드 필름과 PTFE 코팅의 부식 방지 거동과 SiO2 나노 입자가 있거나 없는 오버코트 층을 연구합니다. TOEFL 분극 및 전기화학적 임피던스 분광학(EIS) 테스트는 코팅된 강철 샘플에 대해 수행되어 25°C의 온도에서 3.5wt% NaCl 용액에서의 부식 성능을 검사합니다. 결과는 초소수성 특성과 낮은 전도성의 조합이 내식성을 크게 향상시키는 것으로 나타났습니다. PTFE 코팅의 오버코트 층에 SiO2 나노입자를 첨가하는 효과를 평가한 결과, 나노입자가 코팅의 일부 결함과 기공을 밀봉하여 PTFE 코팅의 내식성을 향상시키는 것으로 나타났습니다. 코팅의 내식성을 조사한 결과, 나노실리카 필름의 내식성은 PTFE 코팅의 내식성보다 낮은 것으로 나타났습니다. 본 연구에서 얻은 최고의 샘플, 즉 프라이머 층에 유리 비드 미세 입자를 사용하고 오버코트 층에 SiO2 나노 입자를 사용한 PTFE 코팅은 부식 속도를 거의 80배 감소시켰습니다.

금속은 인간의 손에 닿는 주요 소재 중 하나이며, 다양한 산업 분야에서 그 활용도가 날로 증가하고 있습니다. 건설(상업용 건물, 주택, 도로), 국방(총기, 탄약, 미사일, 탱크, 제트기), 운송(해양, 항공우주, 자동차), 의료(보철, 보철, 재건 수술 및 생체의료 임플란트)1. 금속 구조물과 장비는 불리한 환경 조건과 습기에 노출되면 부식되기 쉽습니다. 부식으로 인해 성능이 저하되고 궁극적으로 장비와 금속 구조물이 파괴됩니다. 미국의 조사에 따르면 철강 및 기타 금속 재료의 부식은 국내총생산(GDP) 비용의 약 4~5%를 차지하는 것으로 나타났습니다2.

부식을 방지하기 위해 다양한 방법이 사용되었으며 그 중 가장 중요한 방법은 음극 및 양극 보호, 부식 억제제 및 코팅3,4,5,6,7,8입니다. 이러한 각 방법에는 장점과 단점이 있으며 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있습니다9. 코팅은 일반적으로 부식성 환경과 문제의 부품 표면 사이에 장벽을 만들고 습기, 산화 및 화학 물질로부터 금속 부품을 보호하는 데 사용되는 물질입니다10. 오랫동안 금속 표면을 보호하기 위한 일반적인 방법으로 크로메이트 처리와 인산염 처리가 사용되어 왔습니다. 하지만 이 두 가지 방법은 환경 친화적이지 않습니다. 크롬(VI)의 독성과 발암성은 오늘날 인간에게 입증되었으며, 인 오염은 물 부영양화에 기여하는 중요한 요소 중 하나입니다11,12. 금속 부식을 방지하기 위해 이러한 재료를 사용하는 것은 많은 국가에서 금지되어 있습니다. 다른 유형의 코팅을 개발하기 위해 많은 연구가 이루어졌습니다. 희토류 화합물 필름13,14, 졸-겔 파생 필름15,16,17,18,19,20 및 자체 조립 층21,22의 사용을 기반으로 하는 다양한 종류의 대체 재료가 보호 능력을 보여주었습니다. 부식. 또한 연구에 따르면 비전도성 Al2O3, TiO2, SiO2 코팅, Al2O3, TiO2 및 SiO2의 혼합 산화물 코팅과 같이 전기 전도도가 매우 낮은 코팅이 부식 방지에 매우 효과적인 것으로 나타났습니다23,24. 150°보다 높은 접촉각(CA)과 10°보다 낮은 롤오프 각도를 갖는 초소수성 코팅을 사용하는 것은 금속 부식을 방지하기 위한 흥미로운 접근 방식이며 일부 연구에서 뒤따랐습니다25,26. 물방울이 형성되면서 이러한 표면 위로 미끄러지고 표면에서 분리됩니다. 따라서 표면에 유체 방울(물 또는 황산과 같은 부식성 유체)이 접촉하는 시간이 크게 단축됩니다. 또한, 표면의 나노구조의 거칠기와 공동 사이에 갇힌 공기의 존재로 인해 부식되기 쉬운 표면과의 유체 접촉이 감소됩니다. 이 두 가지 효과(짧은 접촉 시간과 낮은 접촉 면적)가 동시에 존재하기 때문에 초소수성 코팅으로 덮인 금속 표면의 내식성은 여러 배 증가합니다. 이러한 코팅은 금속 기판에 전해질이 침투하여 발생하는 부식을 방지합니다. 초소수성 코팅은 다양한 표면, 특히 구리30,31,32, 알루미늄33,34,35, 아연36,37 및 마그네슘38,39와 같은 금속 및 합금 표면에 제조될 수 있습니다.