Deposición de cobre y níquel 2/3 - Investigación sobre la corrosión y protección contra la corrosión
Este capítulo forma parte de la serie 'Deposición de cobre y níquel '. En este capítulo tratamos en detalle qué implica la corrosión y cómo podemos proteger los materiales contra ella.
Edificios, puentes y monumentos
La corrosión es la destrucción de materiales por reacciones químicas con el medio ambiente. Es un factor de coste importante. La sustitución de materiales corroídos en edificios, puentes o monumentos y la pintura o galvanización de elementos de construcción suponen una enorme inversión en mantenimiento.
El estudio "Corrosion Costs and Preventive Strategies in the United States" mostró que en 1998 la corrosión costó a Estados Unidos 276.000 millones de dólares. Esto supone aproximadamente el 3,2% del producto interior bruto estadounidense [1]. Pintar la torre Eiffel cuesta unos 4millones de euros cada 7 años [2]. Sin una capa de pintura adecuada y cerrada, este monumento se volvería inestable y se rompería.
Como consecuencia, uno de los campos más importantes de la investigación electroquímica se centra en la corrosión. Muchas empresas financian la investigación académica para estudiar el mecanismo de los procesos corrosivos y crear nuevos métodos de protección contra la corrosión. Las empresas comprueban la capacidad de protección contra la corrosión de pinturas y lubricantes y desarrollan nuevos métodos para crear revestimientos o crear entornos no corrosivos para la maquinaria, por ejemplo inundando todo el engranaje con aceite.
Desde un punto de vista químico, la protección mediante pinturas ordinarias es fácil de entender. La pintura suele ser una mezcla de un polímero, pigmentos de color y diversos aditivos para ajustar las propiedades físicas de la pintura. Por ejemplo, estos aditivos crean superficies lisas o rugosas o garantizan la protección contra los rayos UV. La pintura suele dispersarse o disolverse en algún disolvente (agua o un disolvente orgánico). El disolvente se evapora una vez aplicada la pintura y sobre la superficie pintada queda un polímero con los aditivos y pigmentos.
El resultado es una barrera física entre la superficie y su entorno. Esta barrera protege la superficie de la corrosión. Una grieta en la capa de pintura permitirá el acceso a la superficie y puede producirse corrosión.
Oportunidades de la electroquímica en la investigación de la corrosión
Aquí ya la electroquímica puede ayudar a mejorarela capa de protección. Las pinturas de electrodeposición son pinturas que se hacen insolubles mediante una reacción electroquímica. Se sumerge una pieza conductora en el baño de pintura y se aplica un potencial. Elecreardreacción cerca de la superficie de la pieza hará que la pintura se vuelva insoluble y, por lo tanto, se precipitará una capa de pintura sobre la superficie metálica. Todas las piezas conductoras quedarán cubiertas con la pintura,incluso en lugares de difícil acceso.
Si la pintura forma una capa aislante, la reacción se detendrá por sí misma bloqueando completamente la superficie conductora;sólo la cantidad necesaria de pinturaseráutilizadas. Estas pinturas tienen mecanismos diferentes.
La más común es la neutralización de cargas. Los polímeros de las pinturas tienen algunos grupos funcionales cargados. Estos grupos los hacen solubles en agua. Estos grupos pueden ser ácidos desprotonados o bases protonadas.A modo de ejemplosuponemos un polímero con grupos carboxílicos desprotonados (COO–). Debido a su carga negativa, migrará hacia el electrodo cargado positivamente, el ánodo. El potencial en el ánodo es lo suficientemente altoparaaguaadividir as sigue:
La elevada concentración de H+lo que implica un valor de pH bajo, cerca del ánodo conduce a una protonación del COO–grupos.
Como resultado, el polímero'sGrupos COOHno tienen cargoyel polímero no essoluble en agua. El polímero precipita en el ánodo (véaseFigura 1.1). Una vez finalizada la deposición, se elimina el exceso de pintura y se cura la capa de pintura. Esto significa que la pintura se calienta para que pueda fluir y formar una superficie uniforme.
La protección contra la corrosión resulta más fácil si el propio metal forma una capa protectora. Las capas de óxido de aluminio sobre aluminio son impenetrables para el oxígeno y protegen así la capa de aluminio que hay debajo. Esto tiene la ventaja de que las partes dañadas de la capa serán sustituidas por el propio aluminio. El grosor de la capa puede aumentarse electroquímicamente, con lo que se consigue una mayor protección.
Protección contra la corrosión: revestimientos activos
Hasta ahora, los revestimientos mencionados eran revestimientos pasivos. Los recubrimientos activos pueden crearse cubriendo metales con metales. Esto suele hacerse sumergiendo el metal a proteger en una solución con una sal del metal de recubrimiento. Se aplica un potencial entre el metal que necesita protección y un electrodo fabricado con el metal de recubrimiento.
Se aplica un potencial negativo al metal del núcleo y todos los iones metálicos positivos (cationes) migrarán al metal del núcleo que actúa como cátodo, el electrodo donde tiene lugar la reducción, y los iones se reducen a metal elemental en el cátodo. El otro electrodo oxida su propio metal y lo libera en forma de iones en la solución. Este electrodo se denomina ánodo, el electrodo donde se produce la oxidación (véase Figura 1.2).
Recubrimiento con metales nobles
Gracias al conocimiento de las series electroquímicas se puede predecir si un determinado metal es más noble que otro y predecir así su comportamiento en contacto con él. Los metales nobles son útiles para crear un recubrimiento inerte a la corrosión, pero si el recubrimiento se daña y el metal menos noble queda expuesto, se crea un elemento local. El metal noble del revestimiento tomará electrones del metal menos noble del núcleo, por lo que la velocidad de corrosión aumentará en lugar de disminuir. Un ejemplo sería el acero recubierto de cromo.
En caso de que el revestimiento se dañe y el metal del núcleo quede expuesto, el revestimiento actuará como ánodo de sacrificio. El metal noble del núcleo drenará electrones del revestimiento menos noble y, de este modo, el núcleo se reducirá, mientras que el revestimiento se oxidará. Un ejemplo de ello es el acero recubierto de zinc.
Hay más formas de proteger un producto de la corrosión, pero en el marco de este experimento bastará con conocer estos métodos más importantes.
Literatura
[1] Gerhardus H. Koch, Michiel P .H.Brongers, Neil G. Thompson, Y. Paul Virmani y Joe H. Payer. Corrosion Costs and Preventive Strategies in the United States - informe de CC Technologies Laboratories, Inc. para la Administración Federal de Carreteras (FHWA), septiembre de 2001.
[2] http://www.toureiffel.paris/en/everything-about-the-tower/themed-files/97.html.