مقدمه ای بر خوردگی و لزوم جلوگیری از هزینه های خوردگی
حامد رسولی سعدآبادa,b، ساناز قلمبر دزفولیb، سیدمحمود کثیریهاa، علی¬اصغر سرابی داریانیa، داریوش مصطفی¬نژادc,d,f
a. دانشگاه صنعتی امیرکبیر (پلی¬تکنیک تهران) ، b.پوششهای محافظتی جنوب (پلیگام)، C. دانشگاه آزاد واحد تهران جنوب، d. شرکت صنعتی و شیمیایی رنگین( هادی رنگ ) ،.f شرکت رنگ آرتیستون
۱) مقدمه
خوردگی فلزات یکی از بزرگترین مشکلات پیش¬روی صنایع بشری است که هر ساله هزینه های زیادی را به صورت مستقیم و غیرمستقیم به صنایع مختلف تحمیل میکند.در این میان فعالیت¬ها و تحقیقات بسیاری در طول سال¬های متمادی برای کنترل و جلوگیری از وقوع این پدیده صورت گرفته و می¬گیرد.این تحقیقات در دو محور شناخت پدیده خوردگی و کنترل سرعت آن صورت می¬گیرد که تا کنون نتایج بسیار مفیدی چه در زمینه شناخت و چه در زمینه کنترل سرعت خوردگی داشته اند.در زمینه کنترل سرعت خوردگی روشهای مختلفی ارائه شده¬اند که مهمترین آنها استفاده از بازدارنده¬های خوردگی، حفاظت کاتدی و پوشش¬های آلی هستند.[۲،۱].
استفاده از پوشش¬های آلی با توجه به ویژگی¬های ساختاری و اقتصادی آن¬ها به عنوان رایج¬ترین، موثرترین و روبه¬رشدترین روش حفاظت از خوردگی می¬باشد که به صورت همزمان با سایر روشهای محافظت از خوردگی قابل اجرا است.به همین دلیل در سالهای اخیر پیشرفت¬های بسیاری در این زمینه حاصل شده است که ادامه¬دار هستند.متداول¬ترین پوشش¬های آلی ضدخوردگی اپوکسی¬ها هستند که برای حفاظت سازه های بسیار در شرایط بسیار خورنده مورد استفاده قرار گرفته و می-گیرند.این پوشش¬ها معمولا به صورت دو یا سه لایه بر روی سطح اعمال می¬شوند و سطوح فلزی بسیاری در شرایط ساحلی بسیارخورنده با آنها پوشش داده شده¬اند.[۴،۳،۸].
پوششهای اپوکسی با داشتن مزیت¬هایی نظیر چسبندگی بالا به سطح فلز به ویژه فولاد، سختی مناسب، نفوذپذیری ناچیز هم در برابر اشیای نوک تیز و هم در برابر مواد خورنده نظیر محلول¬های اسیدی، نمکی، رطوبت و اکسیژن،مقاومت شیمیایی بالا و سازگاری با سطوح مختلف و مقاومت در برابر خوردگی عالی همچون سپری قوی در برابر عوامل خورنده محافظت می-کنند.[۳].در کنار این مزیت¬ها پوشش¬های اپوکسی معایبی نیز دارند که از مهمترین آنها می¬توان به انعطاف¬پذیری پایین و شکنندگی بالا و نیز گچی شدن در برابر اشعه ماورای بنفش نور خورشید اشاره کرد.به همین دلیل برای حفاظت سازه هایی که در معرض نور خورشید قرار گرفته¬اند و با پوشش اپوکسی پوشش داده شده اند از یک لایه پوشش پلی یورتان آلیفاتیک نیز به عنوان رویه استفاده می¬کنند تا ضعف گچی شدن اپوکسی را جبران نماید.[۵]
با توجه به مشکلات پوشش¬های اپوکسی در سالهای اخیر پژوهشهای فراوانی به منظور جبران و اصلاح ضعف های این پوشش-ها انجام شده است که این پژوهش¬ها نیز در دو جهت پیش رفته¬اند.برخی پژوهش¬ها به سمت تولید رزین اپوکسی مقاوم در برابر اشعه ماورای بنفش و برخی دیگر در جهت جایگزینی آن با مواد دیگر پیش رفته اند که با داشتن مزیت¬های اپوکسی محدودیت¬های آن را نداشته باشند.[۵-۱].
یکی از مهمترین و جدیدترین موادی که به منظور جایگزینی پوشش ¬های اپوکسی طراحی شده و به سرعت جای خود را در صنعت پوشش¬های محافظ خوردگی باز کرده اند، پوششهای پلی یورتان ۱۰۰% جامد هستند.این پوشش¬ها در یک لایه با ضخامت بالا و بدون نیاز به پرایمر بر روی سطح اعمال شده و آن را در برابر خوردگی محافظت می¬نمایند.چسبندگی بالا به سطح فلزات آماده سازی شده به ویژه فولاد بدون نیاز به پرایمر،چقرمگی بسیار مناسب (داشتن سختی بالا و در عین حال انعطاف پذیری کافی )، قابلیت ازدیاد طول مناسب، مقاومت بالا در برابر ضربه، فرمولاسیون عاری از حلال و مقاومت بالا در برابر شره، مقاومت بالا در برابر نفوذ اشیای نوک تیز (Penetration) و مقاومت بالا در برابر نفوذ عوامل خورنده (Permeation) از جمله ویژگی¬های عمومی این پوشش¬هاست.[۹،۱۰،۳].مقاومت در برابر اشعه ماورای بنفش مهمترین برتری این پوششها نسبت به پوششهای اپوکسی است.علاوه بر آن با توجه به تک لایه بودن، اعمال این پوشش¬ها نسبت به پوشش¬های سه لایه وقت و هزینه کمتری نیاز دارد و علاوه بر آن بسیاری از مشکلات معمول اعمال پوشش¬های چندلایه نظیر عدم رعایت زمان بین لایه ها خودبه¬خود در این پوشش¬ها حل می¬گردد. با توجه به این ویژگی¬های منحصر به فرد در سال¬های اخیر برای محافظت در برابر خوردگی بسیاری از سازه¬های استراتژیک در ایالات متحده و اروپا از این پوشش¬ها استفاده شده است که از جمله آن¬ها می¬توان به اسکله فلزی سان¬فرانسیسکو درکالیفرنیا و نیز پوشش خارجی خطوط لوله انتقال گاز دانمارک- آلمان-اتریش اشاره نمود.[۷-۵].همچنین جهت نظارت بر کیفیت و عملکرد این پوششها استانداردهای مختلفی به صورت اختصاصی طراحی شده اند که از جمله آنها میتوان به استانداردهای اروپایی BS-EN-10290 ، DIN-30671، استاندارد آمریکایی AWWA-C816، اشاره نمود.همچنین شرکت گاز ایران نیز استانداردهای IGS-TP-020-1 و IGS-TP-014-1 را برای این پوشش¬ها طراحی نموده است.
در این مقاله به بررسی و مقایسه خواص مکانیکی و ضدخوردگی پوشش تک لایه ۱۰۰% جامد پلی یورتان و پوشش سه لایه اپوکسی – پلی یورتان پرداخته شده است.آستری پوشش سه لایه از پوشش اپوکسی پلی آمید زینک ریچ و لایه میانی آن از پوشش اپوکسی پلی آمید حاوی فیلر MIO انتخاب شد وبرای لایه نهایی آن نیز از پوشش پلی یورتان آلیفاتیک پایه حلالی استفاده گردید.
۲) کارهای عملی
کلیه امور مربوط به طراحی فرمولاسیون، ساخت، اعمال و اندازه گیری خواص تمامی پوشش¬های مورد بررسی در این پرژه، در آزمایشگاه شرکت پوششهای محافظتی جنوب ( پلیگام ) انجام گرفته است.رزین¬های پلی¬یورتان و اپوکسی مورد استفاده در این پروژه از محصولات شرکت بایر آلمان (Bayer) و مواد افزودنی به کار رفته از محصولات شرکت افکا (Efka) انتخاب شده اند.
۲-۱) ساخت پوشش مایع
ساخت مایع پوشش¬ها در دمای ۲۵ درجه و رطوبت نسبی ۵۰ % انجام گرفت. با توجه به حساس بودن پلی¬یورتان های ۱۰۰% جامد به رطوبت کلیه پودرهای مصرفی قبل از استفاده رطوبت¬گیری شدند.همچنین برای ساخت مایع پوشش¬ها از پاتیل خلا آزمایشگاهی استفاده گردید.
۲-۲) آماده سازی سطح و اعمال پوشش
کلیه پوشش¬ها بر روی پلیت های فولادی اعمال شدند.قبل از عملیات اعمال پوشش ابتدا سطح پلیت¬ها آماده سازی گردید. عملیات آماده سازی در سه مرحله صورت گرفت که به صورت زیر می¬باشند:
۱) سطوح پلیت فولادی با استفاده از دستمال پنبه ای بدون پرز و حلال استون شستشو و چربی زدایی شدند.
۲) سطوح چربی زدایی شده با استفاده از روش سند بلاست، تا درجه Sa21/2 آماده سازی گردیدند.
۳) پلیتهای سندبلاست شده درون حلال استون غوطه ور گردیدند تا گردوغبار ناشی از عملیات سندبلاست از آنها برطرف شود. سپس درون آون و در دمای ۴۰ درجه حلال موجود در سطح آنها پرانده شده و آماده اعمال پوشش بر روی سطحشان گردیدند.
عملیات اعمال پوشش بر روی سطح با استفاده از اسپری ایرلس انجام گرفت و در حین پاشش ضخامت فیلم تر با استفاده از ضخامت سنج شانه ای کنترل گردید.
برای اعمال پوشش سه لایه زمان انتظار بین اعمال لایه ها به صورت کامل رعایت شد. همچنین جهت حصول به چسبندگی بالاتر قبل از اعمال هر لایه ، سطح لایه زیرین با استفاده از دستمال پنبه ای بدون پرز و حلال استون آماده سازی گردید.پوشش تک لایه ۱۰۰% جامد پلی یورتان نیز مستقیما بر روی سطح فلز اعمال گردید.
مشخصات مایع پوششهای مورد استفاده در جدول ۱ آمده است.
۲-۳) اندازهگیری خواص مکانیکی و ضدخوردگی
پس از اعمال نمونه ها خواص مکانیکی و ضدخوردگی آنها اندازهگیری شد.خواص اولیه نمونهها در جدول ۲ آورده شده است.
کلیه تستها پس از پخت کامل نمونهها بر روی آنها صورت گرفت.جدول ۳ خواص اندازه گیری شده، روش انجام تست، استاندارد مورد استفاده و مشخصات دستگاههای مورد استفاده برای انجام تستها را مشخص میکند.
همچنین کلیه آزمایش¬ها و تستها در دمای C˙ ۲۵ و رطوبت نسبی ۵۰% انجام شد. علاوه بر آن در مورد پوشش سه لایه برخی از تست¬ها برای هرلایه به صورت جداگانه نیز اندازه گیری و گزارش شدند.
۳) بررسی نتایج
نتایج آزمایشهای انجام گرفته بر روی نمونه ها گردآوری شده و به صورت نموداری مورد ارزیابی قرار گرفت.
۳=۱) تست چسبندگی
همان طور که در قسمت قبل توضیح داده شد برای اندازه¬گیری چسبندگی نمونه ها از روش ASTM-D4541 و دستگاه Pull-Off استفاده شد.با توجه به چند لایه بودن پوشش سه لایه اپوکسی- پلی یورتان و تک لایه بودن پوشش پلی یورتان ۱۰۰% جامد پیوستگی خود پوشش پلی یورتان ۱۰۰% جامد با چسبندگی بین لایه های پوشش سه لایه مقایسه شد.
نتایج حاصل از تست چسبندگی نشان می¬دهدکه با وجود اینکه چسبندگی پوشش¬ سه لایه در محدوده قابل قبول می¬باشد از چسبندگی پوشش تک لایه پلی یورتان کمتر است.به عبارت دیگر هم پیوستگی پوشش پلی یورتان از چسبندگی بین لایه های پوشش چندلایه بیشتر است و هم چسبندگی آن به سطح از آستری زینک ریچ اپوکسی بیشتر است. چسبندگی بالا به سطح اگرچه به معنای محافظت از خوردگی بالا نیست ولی بدون شک از ملزومات آن است. پوشش که چسبندگی به سطح بالاتری دارد بدون شک در صورت داشتن سایر خواص لازم مقاومت بیشتری در برابر خوردگی خواهد داشت. نمودار ۱ مقادیر چسبندگی نمونه ها را نشان می¬دهد.
۳-۲) تست سختی
اندازه گیری سختی نمونه ها با استفاده از روش ASTM-D2240، و دستگاه سختی سنج Durometer – Shore-D مورد ارزیابی قرار گرفت.
با توجه به نتایج حاصل از این تست سختی نهایی پوشش سه لایه اپوکسی – پلی یورتان اختلاف معنی داری با هم ندارد و تقریبا معادل یکدیگر می¬باشند. نمودار۲ سختی نمونه ها را با یکدیگر مقایسه می¬کند.
۳-۳) تست انعطاف پذیری
برای ارزیابی انعطاف پذیری نمونه ها از روش ASTM-D522 و دستگاه مندرل مخروطی استفاده شد.
نتایج حاصل از این تست نشان میدهد که انعطاف پذیری پوشش سه لایه اپوکسی – پلی یورتان نسبت به پوشش تک لایه پلی یورتان بسیار پایین تر است.علت این امر را می¬توان شکنندگی بسیار بالا و نیز اختلاف انعطاف پذیری لایه های پوشش سه لایه دانست.علاوه بر ساختار انعطاف پذیرتر پلی یورتان ۱۰۰ % جامد تک لایه بودن این پوشش به آن این فرصت را می¬دهد که تنشهای ئارده به خود را تا حدود زیادی به کل شبکه پلیمری خود گسترش دهد و حتی الامکان از تجمع آن در یک نقطه و در نتیجه ایجاد ترک جلوگیری نماید.در حالیکه در پوششهای سه لایه این اثر امکان پذیر نبوده و محل تماس دولایه با یکدیگر محل تجمع تنش شده و ترک ایجاد شود.
نمودار ۳ نتیجه تست انعطاف پذیری نمونه ها را نشان می¬دهد.
۳-۴) تست ازدیاد طول (Elongation)
استاندارد اروپایی BS-EN-10290 روش طراحی شده در استاندارد ISO-527 را به عنوان روش مناسب برای اندازه گیری میزان ازدیاد طول پوشش¬های پلی یورتان پیشنهاد می¬کند.این در حالیست که اندازه گیری میزان ازدیاد طول پوشش اپوکسی – پلی یورتان سه لایه به این روش امکان پذیر نیست. در نتیجه از روش استاندارد ASTM-D522، و با استفاده از مندرل مخروطی برای تعیین میزان ازدیاد طول نمونه ها استفاده شد.نمودار ۴ نتیجه این تست را برای نمونه ها نشان میدهد.همان طور که از نتایج بر می¬آید،قابلیت ازدیاد طول پوشش پلی یورتان تک لایه چندین برابر پو¬شش اپوکسی – پلی یورتان چند لایه است که این اختلاف معنی دار به تفاوتهای ساختاری این دو پوشش مربوط می¬شود.
در مواقعی که دمای فلز زیر آیند به صورت ناگهانی تغییر میکند، پایین بودن میزان ازدیاد طول پوشش سبب می¬شود پوشش نتواند خود را با انبساط یا انقباض فلز سازگار نماید و در نتیجه از سطح فلز جدا شود.در این حالت از انعطاف پذیری پوشش نیز پایین باشد پوشش کنده شده از روی سطح فلز ترک می¬خورد و در شرایط خورنده آثار خوردگی از آن ناحیه ظاهر می-گردد.با توجه به انعطاف پذیری و میزان ازدیاد طول پوششهای اپوکسی این اتفاق در آنها بسیار محتمل است چند لایه بودن این پوششها نیز بر احتمال ایجاد این مشکل در این پوششها می-افزاید.در حالیکه پوشش های پلی یورتان با داشتن انعطاف پذیری و میزان ازدیاد طول مناسب در شرایط تغییر دمای شدید سازه زیرین و انبساط و انقباض آن به سرعت خود را با فلز زیرآیند هماهنگ کرده و دچار مشکل نمی¬گردند.با توجه به یک لایه بودن این پوشش¬ها جدایش بین لایه های پوشش نیز برای آنها بی معنی است.شکل ۵ میزان ازدیادطول نمونه ها را با یکدیگر مقایسه میکند.
۳-۵) تست مقاومت در برابر ضربه
این تست با توجه به استاندارد ASTM-D2794و با استفاده از دستگاه Falling Weight انجام گرفت. برای پوشش سه لایه این تست به صورت جداگانه برای هر لایه و نیز برای سه لایه روی یکدیگر انجام گرفت.
نتایج به دست آمده از این تست نشان می¬دهد مقاومت در برابر ضربه پوشش¬های پلی¬یورتان تک لایه از پوشش سه لایه اپوکسی – پلی¬یورتان بسیار بالاتر است.علت این امر انعطاف پذیری بالاتر پوشش تک لایه پلی یورتان و نیز قابلیت ازدیاد طول مناسب این پوشش هاست سبب پخش شدن نیروی وارد بر نقطه ضربه شده و در نتیجه از ایجاد ترک در آن نقطه جلوگیری می ¬کند. نمودار ۵ نتیجه این تست را برای نمونه ها نشان می¬دهد.
۳-۶) مقاومت در برابر خوردگی
مقاومت در برابر خوردگی پوششها به روش ASTM-B117 و با استفاده از کابین مه نمکی مورد ارزیابی قرار گرفت.به این صورت که هر دو پوشش با توجه به شرایط ذکر شده در استاندارد تهیه شده و درون کابین پاشش مه نمکی قرار گرفتند. پس از مدت زمان حدود ۲۰۰۰ ساعت هیچگونه تغییری در هیچکدام از نمونه¬ها اتفاق نیافتاد.
این مشاهده به این معنی است که در غیاب عواملی نظیر تنش، ضربه، تغییرات دمایی شدیدو … مقاومت در برابر خوردگی دو پوشش تقریبا معادل یکدیگر است.شکل ۷ تصویر نمونه ها را پس از ۲۰۰۰ ساعت در معرض مه نمکی را نشان می¬دهد.
شکل ۷ : نتیجه تست نمونه¬های مه نمکی بعد از ۲۰۰۰ ساعت
۴) نتیجه گیری
نتایج به دست آمده نشان می¬دهد که پوشش تک لابه ۱۰۰ % جامد پلی یورتان نسبت به پوشش سه لایه دارای چسبندگی بالاتر، انعطاف¬پذیری و مقاومت در برابر ضربه بیشتر، قابلیت ازدیاد طول بیشتری دارد. در کنار این مزایا مقاومت در برابر خوردگی آن نیز تا ۲۰۰۰ ساعت معادل پوشش سه لایه است. بنابراین با توجه به این برتریها در کنار مزایای اقتصادی این پوشش ها می¬توان با درصد اطمینان بسیار مناسبی این پوشش¬ها را جایگزین پوشش های سه لایه اپوکسی – پلی یورتان دانست.
۵) مراجع
Dr Richard W.Drisco,selecting Coatings for Industrial and Marine Structures,SSPC,2008,79-83
Zeno W.Wicks,Frank N.Jones& Peter Pappas-Organic Coatings, Wiley Interscience 1999
Dr Richard W.Drisco,”Selecting Coatings for Industrial and Marine Structures”, SSPC 01-08, 2008
Forsgren. Amy,” Corrosion Control through Organic Coatings (Corrosion Technology) “, ۱st Edition, CRC, Press; 2006
Peabody.A.W, “Control of Pipeline Corrosion”, ۲nd Edition, NACE 37571, 2001
Parker.M, Peattie.E.G, “Pipeline Corrosion and Cathodic Protection”, ۳rd Edition, Gulf professional publishing, 1998
Guidetti.G.P,Rigosi.G.L and Marzola.R,” The use of polypropylene in pipeline coatings”, progress in organic coatings, Volume27,Issue 1‐۴,Pages 79‐۸۵,۱۹۹۶
S. PETER PAPPAS Polymers and Coatings Department, North Dakota State University, Fargo, ND 58105
D.K. Chattopadhyay1, Dean C.Webster, Thermal stability and flame retardancy of polyurethanesDepartment of Coatings & Polymeric Materials, North Dakota State University, Fargo, ND 58105, USA
J. Sonke, W.M. Bos,”Scientific methods for qualification and selection of protective coatings” ,scientificcoatingselectionjpcl.2008
نوشته های مرتبط
