terça-feira, 25 de novembro de 2014

[II SBEQ] REVESTIMENTOS INTELIGENTES - A NOVA TENDÊNCIA MUNDIAL DAS TINTAS ANTICORROSIVAS - ELBER VIDIGAL (CEPEL)

Formação e experiência profissional:

- Engenheiro Químico, graduado pela UFRRJ;
- Engenheiro de Processos CAE pelo PROMINP/UFF;
- Mestre em Engenharia Metalúrgica e de Materiais pela COPPE/UFRJ;
- Doutorando em Engenharia Metalúrgica e de Materiais pela COPPE/UFRJ;
- Pesquisador concursado no Centro de Pesquisas de Energia Elétrica (CEPEL).

Áreas de atuação:
 - Pesquisa e desenvolvimento;

Pós-graduação direcionada para pesquisa e desenvolvimento de revestimentos anticorrosivos inteligentes resistentes ao estresse térmico provocado pela variação brusca de temperatura, característica de equipamentos utilizados no processamento primário do petróleo, caldeiras e vasos de pressão. 

Desenvolvimento e caracterização de materiais com propriedades anticorrosivas utilizados pelo setor elétrico brasileiro.

Principais prêmios do profissional:
- Prêmio INTERCORR 2014, ABRACO;
- Prêmio concedido pela Associação Brasileira de Corrosão (ABRACO) pelo trabalho apresentado no Congresso Internacional de Corrosão (INTERCORR) 2014.


Revestimentos Inteligentes: A nova tendência mundial das tintas anticorrosivas

A corrosão de estruturas metálicas é um problema de enormes proporções, cerca de 4% do produto interno bruto (PIB) de alguns países desenvolvidos estão relacionados com a corrosão. Uma vez que as ligas metálicas são parte de uma infinidade de estruturas, desde automóveis até edifícios, o impacto negativo da corrosão pode ser percebido no cotidiano das pessoas. 

Uma estratégia muito comum utilizada por muitos engenheiros e pesquisadores para proteger estruturas metálicas, minimizando a corrosão e a degradação das mesmas, é a aplicação de revestimentos orgânicos protetivos (tintas). A camada de revestimento formada atua como barreira, evitando assim o contato do meio corrosivo com o substrato metálico, fornecendo uma proteção passiva ao substrato. A aplicação de revestimentos protetivos tem grande destaque entre os métodos utilizados para a proteção anticorrosiva, 90% dos gastos com proteção anticorrosiva estão relacionados a métodos e serviços utilizados em revestimentos protetivos.

A eficiência da proteção do revestimento está intimamente relacionada com a boa qualidade de sua aplicação, assim como, uma preparação de superfície adequada, garantindo boa adesão entre o revestimento e o substrato. Além disso, a permeabilidade a espécies corrosivas é um parâmetro intrínseco ao revestimento que deve ser observado para garantir uma boa propriedade de barreira. No entanto, a degradação do revestimento pode ocorrer devido à ocorrência de fatores externos, por exemplo: radiação ultravioleta (UV), poluentes atmosféricos, ações mecânicas (riscos ou trincas). Além disso, muitas vezes os revestimentos anticorrosivos são utilizados em condições de extrema agressividade, tais como: meio ácido contendo CO2 e H2S, alta salinidade, temperaturas acima de 100°C e ciclos térmicos. Essas condições são características de equipamentos utilizados em processamento primário de petróleo, caldeiras e vasos de pressão.

A combinação desses fatores pode provocar a abertura de poros e propagar trincas no revestimento, por onde a água e agentes corrosivos podem se difundir e alcançar a superfície do metal, provocando assim, o início da corrosão. Portanto, um aumento da proteção ativa do revestimento é necessário para prolongar a vida útil da estrutura metálica. 

Uma forma de aumentar a vida útil do revestimento é a incorporação de espécies ativas capazes de dificultar a atividade corrosiva (inibidores de corrosão). O exemplo mais representativo dos inibidores de corrosão utilizados em revestimentos são formulações contendo cromo (VI). Apesar de ser um excelente inibidor de corrosão, ele é altamente tóxico e cancerígeno para os seres humanos. Quando utilizado, ele é lixiviado para o ambiente, o que compromete o ecossistema, o que acarretou na sua proibição em muitos países. 

Nesse contexto, a adição direta de inibidores de corrosão na matriz orgânica dos revestimentos pode resultar em reações causando desativação do inibidor ou degradação do revestimento. Esse motivo tem impulsionado muitos pesquisadores para o desenvolvimento de novos revestimentos que solucionem esse problema, porém os mesmos têm se deparado com perguntas cruciais: Como armazenar um inibidor de corrosão dentro do revestimento anticorrosivo sem alterar as características do mesmo? Como garantir que esse inibidor vai ser liberado quando o substrato metálico estiver sendo atacado? Qual inibidor utilizar?

Ainda, surgiram os chamados "revestimentos inteligentes" (smart coatings) que através da integração em micro e nanoescala de reservatórios carregados com inibidores de corrosão dentro dos “revestimentos clássicos”, dão origem a um sistema com propriedades de barreira e proteção ativa. Atualmente, existem diversos tipos de micro e nano-reservatórios de inibidores de corrosão, tais como:

Microcápsulas: A indústria farmacêutica utiliza o microencapsulamento há muito tempo para a preparação de fármacos. Atualmente, uma grande variedade de tecnologias está disponível para o microencapsulamento de diferentes substâncias. O microencapsulamento fornece a possibilidade de combinar propriedades de diferentes tipos de materiais, o que dificilmente é atingido utilizando outras técnicas. Sendo assim, essa técnica fornece um grande potencial para indústria de revestimentos anticorrosivos. Esse processo pode ser considerado um processo de imobilização de micropartículas sólidas ou líquidos dentro de um invólucro inerte, que pode ser chamado de "casca", que por sua vez, isola e protege o inibidor desejado da matriz orgânica do revestimento (Figura 1). Atualmente, existem várias tecnologias de microencapsulamento, sendo muitas delas aplicáveis em escala industrial outras não. As principais técnicas de microencapsulamento utilizadas para obtenção de “pigmentos inteligentes” utilizados em revestimento anticorrosivos são: Suspensão, dispersão e polimerização em emulsão; Policondensação; Coacervação; Encapsulamento sol-gel.

Figura 1. Ilustração esquemática de uma microcápsula contendo um inibidor.

Automontagem camada-por-camada: A automontagem camada-por-camada de polieletrólitos de cargas opostas ou layer-by-layer (LbL) é uma ferramenta poderosa para a fabricação de “cascas protetoras” e filmes finos com multicamadas. A tecnologia de automontagem LbL pode ser utilizada na preparação de reservatórios com propriedades de armazenamento e liberação controlada, com espessura nanométrica, e  pode ser usada para fabricar dois tipos de nanoreservatórios: microcápsulas ou nanoportadores (nanotubos, óxidos porosos ou mesoporosos e etc.). Porém, a utilização de nanoportadores é mais complexa do que as microcápsulas, pois eles nem sempre vão conseguir proporcionar uma libertação prolongada do inibidor e conseguir protegê-lo da interação com a matriz orgânica do revestimento. Sendo assim, torna-se muito importante definir qual tipo de liberação do inibidor é mais adequada para o novo revestimento, liberação controlada ou instantânea, isso vai depender do tipo de aplicação e meio em que o revestimento vai ser submetido. Microcápsulas que respondem a variação de pH, rompendo-se com aumento ou redução de pH, têm sido fabricadas eficientemente pela técnica LbL (Figura 2), essa característica torna a técnica LbL muito vantajosa em relação aos outros métodos de microencapsulamento, pois a reação catódica geralmente promove aumento de pH, esse aumento de pH pode acarretar na “quebra” da casca de polieletrólitos e consequente liberação do inibidor de corrosão para atuar, gerando uma redução do processo corrosivo do substrato metálico.

 
Figura 2. Ilustração esquemática da utilização técnica LbL sobre uma partícula de inibidor de corrosão. 

Hidróxidos duplos lamelares: Os hidróxidos duplos lamelares (HDLs), sintéticos ou naturais, possuem água e espécies aniônicas no domínio interlamelar (Figura 3), cuja função é estabilizar a carga elétrica da estrutura, sendo possível a troca do ânion interlamelar por outro mais estável dentro da estrutura lamelar. Essa propriedade de troca iônica tornou os HDLs muito famosos no meio cientifico, pois ela possibilita a aplicação dos mesmos como "armadilhas" para íons agressivos (cloreto, sulfato e etc.) do ponto de vista corrosivo, além de muitas outras aplicações. Eles podem atuar capturando íons que provocam e aceleram o processo corrosivo, aumentando a vida útil do revestimento e substrato metálico. A estrutura mais comum dos HDLs é semelhante à estrutura da brucita (Mg(OH)2) onde os cátions magnésio estão localizado no centro de octaedros, que possuem em seus vértices ânions hidroxila (Figura 3). Durante a síntese, alguns cátions Mg2+ são substituídos isomorficamente por cátions Al3+, as camadas ficam carregadas positivamente. Neste caso, as lamelas são mantidas juntas não apenas por ligações de hidrogênio, como no caso da brucita, mas pela atração eletrostática entre as lamelas positivamente carregadas e os ânions interlamelares. Por esse motivo os HDLs possuem a propriedade de troca iônica tão eficiente. Além de serem utilizados como armadilhas para íons agressivos os HDLs também podem ser utilizados como reservatórios de inibidores de corrosão aniônicos no seu domínio interlamelar. A troca iônica do inibidor pelo íon agressivo para gerar um efeito benéfico duplo para o revestimento, ou seja, além de remover um agente agressivo o HDL libera uma substância que ajuda a proteger o substrato.   

Figura 3. Ilustração esquemática da estrutura dos HDLs.

A principal ideia desses revestimentos contendo esses "pigmentos inteligentes" citados acima é diminuir os custos de produção devido ao aumento da vida útil dos revestimentos, reduzir os custos de manutenção e a incidência de falhas nos revestimentos anticorrosivos. Dependendo da aplicação desejada, uma substância específica e um microrreservatório adequado devem ser utilizados, o que influencia diretamente a qual estímulos o nanoreservatório vai responder (ação mecânica, variação de pH, troca iônica e etc.). Além disso, diferentes respostas dos nanoreservatórios podem ser ajustadas, dependendo da condição desejada, variando desde uma liberação controlada da substância até uma ruptura total do nanoreservatório.

Os revestimentos inteligentes já estão utilizados comercialmente no ramo automotivo na Europa e Japão. Geralmente, os revestimentos automotivos não resistem a severas intervenções do meio externo, a Nissan Motor Co. Ltda, em cooperação com o Paint Nippon, foi pioneira em desenvolver recobrimentos automotivos autorregenerativos (self healing). Ela lançou no mercado o modelo X-Trail®, lançado na Europa em 2006. Ele foi proclamando como o primeiro carro com tinta de acabamento (topcoat) autorregenerativa, essa tinta elimina completamente as marcas de cerdas (tipo de material sintético, utilizado na fabricação de pincéis, escovas, etc.) de lavagem dentro de algumas semanas, e com uma garantia de que a propriedade se manterá durante dois anos.

A pesquisa e desenvolvimento de revestimentos inteligentes é uma área muito promissora no mercado mundial e tende a ser o principal foco de investimento das empresas de tintas anticorrosivas e centros de pesquisas nos próximos anos visto que os “revestimentos clássicos” já não atendem mais as condições operacionais necessárias. 

Atenciosamente,
Elber Vidigal Bendinelli

Contato:
elbervb@cepel.br

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