ساخت نانوکامپوزیتها از قبیل اپوکسی - کِلی به منظور پوششهای محافظ در برابر خوردگی در صنایع نفت و گاز

خوردگی معمولاً در سطح مواد رخ داده و به واسطه واکنش با محیط، سبب تخریب آنها می‌گردد. راه‌های مختلفی جهت کاهش نرخ خوردگی و بهبود طول عمر مواد و وسایل وجود دارد؛ برخی روش‌هایی که امروزه به‌کار گرفته شده‌اند، شامل استفاده از موادی می‌شوند که با استفاده از فناوری‌نانو ساخته شده‌اند. این روش‌ها شامل پوشش‌های لایه نازک کامپوزیتی، پوشش‌های لایه رویی (Top layer) و پوشش‌های عایق حرارتی است. نتایج تحقیقات نشان می‌دهند که کارایی این‌گونه مواد در مقابل خوردگی، از موادی که با استفاده از روش‌های تجاری ساخته شده‌اند بهتر است.

پدیده خوردگی طی سالیان متمادی یکی از مهم‌ترین مشکلات صنعتی بوده و تحقیقات زیادی جهت کنترل آن صورت گرفته است. این پدیده بیشتر روی فلزات و آلیاژها و همچنین مواد پلیمری به‌واسطه برهمکنش با آب دریا، محیط ‌تر، باران‌های اسیدی، پرتوهای مختلف، آلودگی‌ها، محصولات شیمیایی و قراضه‌های صنعتی رخ می‌دهد. خوردگی معمولاً در سطح مواد شروع شده و طول عمر مواد مورد استفاده را مرتباً کاهش می‌دهد. به‌واسطه خوردگی سطح ماده، علاوه بر زیبایی، خواص فیزیکی، مکانیکی، و شیمیایی مواد نیز کاهش می‌یابد. تخمین زده می‌شود که بیش از پنج درصد از تولید ناخالص ملی کشورهای صنعتی صرف جلوگیری از خوردگی، جابه‌جایی قطعات خورده شده، تعمیرات و نگهداری و حفاظت‌های محیطی گردد. این مقدار معادل 280 میلیارد دلار هزینه برای کشوری مانند آمریکا در سال 2001 بوده است. شاید پوشش‌های محافظت کننده عمده‌ترین روش پذیرفته شده برای مقاومت به خوردگی باشد؛ به‌گونه‌ای که با استفاده ازیک پوشش لایه نازک که روی سطح اعمال می‌شود فلز اصلی از خوردگی محافظت می‌شود. این پوشش‌ها با توجه به نوع فلز اصلی و محیط خورنده می‌توانند از مواد مختلفی باشند؛ از آن جمله می‌توان به پلی اورتان، پلی‌آمید، پلی‌استر، پوشش‌های PVC، اکریلیک، آلکیدها و اپوکسی‌ها اشاره کرد. این مواد نقش تعیین‌کننده‌ای به عنوان لایه حفاظتی اعمال می‌کنند؛ زیرا این پوشش‌ها از انتقال عوامل خورنده مانندیون‌های هیدروکسیل و کلر، آب، اکسیژن، آلودگی‌ها و رنگدانه‌ها که به‌طور مؤثر با سطح مواد واکنش می‌دهند، جلوگیری می‌کنند. به عبارت دیگر پوشش‌های حفاظتی با ممانعت از نفوذ الکترولیت به سطح فلز، از اندرکنش بین مناطق کاتدی و آندی در فصل مشترک فلز و پوشش جلوگیری می‌کنند. مواد پوششی، در نتیجه تأثیرات محیطی، خواص شیمیایی، فیزیکی و شیمی فیزیکی خود را از دست می‌دهند. اخیراً چندین تحقیق راجع به مقاومت به خوردگی مواد نانوساختاری (نانوکامپوزیت‌ها، پوشش‌های نازک در مقیاس نانو، نانوذرات و. . .)، صورت گرفته است. مواد در مقیاس نانو، خواص فیزیکی، شیمیایی و شیمی فیزیکی بی نظیری از خود نشان می‌دهند و این می‌تواند سبب بهبود مقاومت به خوردگی در مقایسه با همین مواد در حالت توده گردد. همچنین روشن شده است که نانوذرات به علت سطح ویژه بالایشان، توزیعی یکنواختی روی ماده زمینه داشته و با استفاده از حداقل ماده مصرفی می‌‌توان به حداکثر بازده پوششی رسید.

1                     پیش زمینه طرح :

 بسیاری از تحقیقات مقاومت به خوردگی، روی پوشش‌های لایه نازک کامپوزیتی، که پایداری حرارتی، خواص مکانیکی و سدکنندگی مولکولی خیلی خوبی دارند، صورت گرفته است. این مواد شامل نانوذرات آلی سیلیکا ژل، بنزوفنون‌ها، و اسید آمینوبنزوئیک و ذرات غیر آلی خاک رس، زیرکونیوم، سیلیکا و کربن، درون زمینه‌های پلیمری (رزین اپوکسی، پلی‌آمید، پلی‌استایرن، نایلون و. . .) با کسر حجمی خیلی کم حدود 5/0 تا 5 درصد می‌شدند. دریک محصول نانوکامپوزیتی، پلیمرها و نانوذرات با استفاده از انحلال، پلیمریزاسیون درجا و اندرکنش مذاب ویا تشکیل درجا، سنتز می‌شوند. لایه‌های نانوساختاری با استفاده از اسپری تشکیل می‌شود، و سپس با استفاده از برس و فرایند تشکیل خود‌به‌خودی الکترواستاتیک به حداکثر چگالی و پیوستگی رسیده، می‌توانند به عنوان یک لایه محکم جهت محافظت از ماده زمینه به کار روند. برای مثال نتایج آزمایش خوردگی حاصل از نانوکامپوزیت پلی (اتوکسی آنیلین) خاک رس، نشان داد که پتانسیل خوردگی، جریان خوردگی و نرخ خوردگی به‌صورت نمایی کاهش یافته‌اند، در صورتی که مقاومت پلاریزاسیون به عنوان تابعی از میزان خاک رس افزایش می‌یابد. همچنین مشخص شده است که تخلخل‌های نانومتری روی مواد پوششی می‌تواند منجر به افزایش نرخ خوردگی شود. این تخلخل‌ها می‌توانند با استفاده از الماس شبه‌کربنیا سایر مواد پوشش‌دهنده با چگالی بالا بسته شوند. پوشش‌های تبدیلی لایه‌های غیر فعال سطحی (پوشش‌های تبدیلی)، حدودیک قرن جهت محافظت سطوح مواد از خوردگی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. این لایه‌ها نوعاً شامل کروم، زیرکونیوم، فسفات، آلومینیوم، پتاسیم، نیکل، طلا، نقره و لایه‌های غنی از نقره بودند که تا حدی مقاومت پلاریزاسیون سطح مواد را زیاد کرده، در نتیجه سبب کاهش جریان، پتانسیل و نرخ خوردگی می‌شدند. اگر چه پوشش‌های تبدیلی کروم شش ظرفیتی (پوشش‌های غیر فعال) تأثیرات محیطی به همراه دارند، امروزه در بسیاری از بخش‌ها از جمله بدنه هواپیماها مورد استفاده قرار می‌گیرند. نشاندن این لایه‌ها معمولاً با استفاده از فرایندهای شیمی تر صورت می‌گیرد که همیشه مشکلات مربوط به کنترل آلودگی در آنها وجود دارد. اخیراً برنامه‌های تحقیقاتی جدید روی مولیبدن، زیرکونیوم (ZrO2) متخلخل و فسفات با سه کاتیون (Fe,Zn,Mn) متمرکز شده‌اند، تا اینکه این پوشش‌ها جایگزین پوشش‌های تبدیلی تجاری شوند. ضخامت این لایه‌ها می‌تواند در محدوده 5/0 تا 20 میکرومتر باشد. پوشش‌های لایه رویی مواد پلی‌اورتان جزو مواد پوششی مطلوب دارای محدوده وسیعی از خواص مانند عایق اسمزی، شیمیایی، هیدرولیتی و پایداری اکسایشی هستند که می‌توانند برای جلوگیری از خوردگی مزایایی داشته باشند. اگر چه بسیاری از مواد پوششی مانند مواد بر پایه اپوکسی و اکریلیک، در دسترس و ارزانند، قابلیت‌های محافظتی آنها به شرایط محیطی وابستگی شدیدی دارد. به همین دلیل پوشش‌های رویی پلی‌اورتان نه تنها برای لایه‌های آلی اولیه، بلکه برای محافظت سطوح مواد از خوردگی مورد استفاده قرار می‌گیرند. اخیراً پلی‌اورتان‌های حاوی فلوئور که انرژی سطحی بسیار کمی دارند (mN/m 6)، به ‌شدت از نفوذیون‌ها و مولکول‌های خورنده، رطوبت، دما و تشعشع ماوراء بنفش جلوگیری می‌کنند. همچنین گزارش شده است که پوشش‌های بین لایه‌ای و تکنیک‌های عملیات سطحی (مانند حک‌کاری پلاسما و شیمیایی، می‌توانند به‌طور مؤثری چسبندگی بین لایه‌های محافظ و سطوح مواد را افزایش داده، سبب افزایش مقاومت به خوردگی گردند. جدیداً مرکز تحقیقات پوشش پژوهشگاه صنعت نفت با ساخت Nano Composite epoxy-clay (NCEC) گام مهمی در تولید پوششهای ویژه محافظ سطوح برداشته است. نانوکامپوزیتهای اپوکسی - کِلی (NCEC) سنتز شده توسط متخصصان این مرکز با توجه به نوع رزین مصرفی و نیز ویژگی ضد خوردگی نهایی پوشش ناشی از حضور Nano clay دارای قابلیت کاربرد بالا جهت حفاظت سطوح حساس در مقابل خوردگی به ویژه در صنایع نفت می باشد. دوام بالای سطوح پوشش داده شده با رنگ های نانو کِلی در تستهای رطوبت صددرصد و مه نمکی در مقایسه با انواع رنگ معمولی کاملا مشهود و بسیار قابل توجه می باشد. این مرکز پس از طی مراحل سنتز آزمایشگاهی رزین و رنگ نانو کِلی هم اکنون در حال تحقیق بر روی نحوه بهبود فرمولاسیون و افزایش ویژگی های بهینه این نوع رنگ جهت تولید در مقیاس پایلوت و گسترش استفاده از آن درصنایع نفت و سایر صنایع با هدف پیش گیری از خسارات حدی ناشی از خوردگی سطوح می باشد.

2                    فرصت ها :

 کاهش هزینه های تعمیر و نگهداری و همچنین کاهش خطرات فرآیندی در صنایع نفت و گاز

اهداف مورد نظر

توانایی محافظت بیشتری در مقایسه با مواد ضد خوردگی تجاری معمول

تولید نانو کامپوزیت جهت جلوگیری از خوردگی در محیط های موجود در صنایع نفت و گاز

 

فاز های مورد نظر

1- شناسایی و ساخت نانو کامپوزیت در مقیاس آزمایشگاهی

2- بررسی پارامترهای لازم از جمله مقاومت در برابر خوردگی در محیط های نفتی و گازی

3- مقایسه عملکرد نانو ماده تولیدی با مواد ضد خوردگی خارجی

4- بررسی بومی سازی مواد اولیه به منظور کاهش قیمت محصول نهایی

5- مقایسه قیمتی با مواد ضد خوردگی معمول تجاری