ナノ医療および生物療法発見ジャーナル
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概要

グラフェンによる腐食防止

B. マンジング

グラフェンは理論的にはグラファイトの原子層ですが、現在では大規模な工業生産が可能です。これらのプロセスのほとんどは、数層のグラフェンを生成します。Sixth Element は、さまざまな用途向けに特別に設計された特性を持つさまざまな種類のグラフェンを製造するための独自のプロセスを確立しました。コーティングにおけるグラフェンの使用方法に関する研究は、溶剤ベースの腐食防止コーティング システムにおける亜鉛の削減に焦点を当てて、2013 年にすでに開始されました。亜鉛含有量の高い標準プライマーでは、亜鉛はより卑金属であるため、陰極犠牲層として機能し、下にある金属基板を保護します。亜鉛が酸化されると、結果として生じる酸化亜鉛がバリアを形成し、周囲の媒体 (水、塩) による金属基板への攻撃を防ぎます。ここでのアイデアは、システムの陰極機能をサポートするのに十分な導電性を持ち、バッテリー セルを生成せずにバリアとして機能できるグラフェン タイプを設計することでした。さらに、そのようなグラフェンをコーティング業界で使用される標準機器で処理できることも要件でした。中国の産業パートナーである Toppen Co と協力し、グラフェン タイプ SE1132 を開発しました。これは、中程度の導電性を持つ数層のグラフェンです。エポキシ プライマー システムに 1 % の SE1132 を追加し、亜鉛含有量を 25 % (乾燥物質ベース) に減らすと、標準的な亜鉛を多く含むエポキシ プライマーと比較して、塩水噴霧試験と結露試験で大幅な改善が見られます。結果は、このようなシステムの腐食電流を測定することで確認されています。Sixth Element は、この開発により中国と米国で特許を取得しています。中国当局の独立したテストに基づいて、このシステムはオフショア アプリケーションに承認されており、2015 年にオフショア風力発電タワーの鉄骨構造を保護するために初めて適用されました。

最近、亜鉛と追加の顔料を含む新しいプライマーが導入されました。これらのプライマーは、国際規格文書 (ISO 12944-2018) に規定されている最新の腐食防止要件を満たすことを目的としています。残念ながら、一般的に使用されている亜鉛粉末などの亜鉛製品は、水生生物に対して非常に有毒です。そのため、海洋環境のユーザーは、亜鉛含有量が大幅に削減されたプライマーをますます求めています。

ここで、グラファイトの単層形態であるグラフェンが活躍します。この材料は 2004 年に初めて発見され、その並外れた機械的強度と、優れた電気伝導性および熱伝導性により、さまざまな用途で魅力的となっています。グラフェンは原子や分子を吸収することもでき、炭素原子にさまざまな化学基を結合させることで機能化することもできます。

過去 15 年間にわたり、科学者やエンジニアはグラフェンを工業的に生産するためのいくつかの方法を確立してきました。電子産業の用途では、通常、炭素を多く含む雰囲気から始めて基板上に炭素原子の単層を堆積させる化学蒸着法 (CVD) を使用して、高い電気伝導率を持つグラフェン シートを作成します。もう 1 つの一般的な方法は、改良型ハマーズ法を使用することです。この方法では、まずグラファイトを酸化し、次に不活性雰囲気で還元処理を行って、さまざまな種類のグラフェンを生成します。その他の方法としては、独自の電気化学プロセスを使用してグラフェンの層を剥離する方法があります。

CVD を除き、これらの方法では数層のグラフェン製品が生成される傾向があり、粉末として、または溶媒、水、ポリマー系に分散された状態で提供されます。数層グラフェン製品の一次粒子は、層の数に応じて、横方向のサイズが 1 µm から 50 µm 以上、厚さが最大数ナノメートルになります。これらの製品は純粋なグラフェンではありませんが、その電気伝導性、熱伝導性、および機械特性は純粋な材料と非常に似ています。重要なのは、腐食防止の目的に十分近いことです。

腐食とは、最も一般的な用法では、金属（通常は鋼）が酸素、硫酸塩、塩化物などの酸化剤によって電気化学的に酸化され、化学的に安定した金属塩、つまり錆が形成されることです。導電性材料であるグラフェンは、（2 番目の補完的な防錆顔料とともに）電気化学反応に好ましい影響を与え、錆の発生を抑えます。グラフェンのバリア特性がこの効果を支えています。さらに、グラフェンはコーティング システムのバインダーと基材の接着性を強化します。これにより、基材を攻撃する（塩分を含んだ）水が保護コーティングを基材から剥離するのを防ぐことができます。