Desenvolvimento de revestimento inteligente natural à base de quitosana para proteção anticorrosiva de liga de alumínio de alta performance

Abstract

O alumínio é o metal mais abundante da crosta terrestre, compondo cerca de 8,2% de sua massa. Devido suas propriedades como alta condutividade térmica e elétrica, alta ductilidade e principalmente sua baixa densidade, o alumínio é amplamente empregado no cotidiano, desde em embalagens descartáveis até na fabricação de aeronaves. Dessa forma, a sociedade não mede esforços na sua obtenção e beneficiamento. Com o objetivo de alterar as propriedades do alumínio e alcançar novas aplicações, outros elementos podem ser incorporados em sua estrutura, formando ligas metálicas, como a liga de alumínio AA2024-T3. Essa liga apresenta uma alta resistência mecânica e uma excelente força específica, sendo utilizada principalmente na fabricação de fuselagem de aeronaves. No entanto essa liga apresenta uma alta suscetibilidade à corrosão localizada devido às partículas intermetálicas precipitadas em sua rede cristalina. À vista disso, para viabilizar sua utilização e aumentar a vida útil do material, busca-se meios de proteger a liga da corrosão, podendo ser utilizado diferentes métodos. Durante bastante tempo foram utilizados meios de proteção anticorrosiva nocivos à saúde humana e ao meio ambiente, baseados principalmente em cromatos e polímeros solúveis em VOCs. Sendo assim, a comunidade científica procura viabilizar a utilização de compostos de origem natural ambientalmente sustentáveis a fim de substituir esses compostos nocivos. No desenvolvimento de revestimentos orgânicos, os polímeros naturais e seus derivados ganham destaque, como a pectina, alginato, celulose e quitosana. O uso desses compostos naturais na proteção anticorrosiva apresenta resultados promissores, contudo aplicações de alto desempenho ainda não foram obtidas devido a forte interação desses polímeros com meios aquosos, sendo necessário buscar meios de melhorar a proteção anticorrosiva desses compostos. Uma forma de melhorar as propriedades anticorrosivas é a partir de revestimentos inteligentes, compostos pela associação de um revestimento orgânico com nanorreservatórios contendo inibidores de corrosão que são liberados no local da corrosão a partir de um gatilho. Neste trabalho, um revestimento inteligente ambientalmente sustentável foi desenvolvido utilizando quitosana como matriz polimérica, nanotubos de haloisita como nanorreservatórios e ácido vanílico e gálico como inibidores de corrosão. Além disso, de forma inédita, a influência da massa molar da quitosana na proteção anticorrosiva foi investigada. Todos os testes realizados (inchamento, ângulo de contato, corrosão em atmosfera saturada e EIS) indicaram que a quitosana de baixa massa molar oferece um melhor desempenho na proteção anticorrosiva. Sendo assim, a quitosana de baixa massa molar foi selecionada para compor o revestimento inteligente. Os resultados obtidos a partir do revestimento inteligente mostram um mecanismo de liberação funcional a partir de mudanças no pH e um retardamento na corrosão pela inserção dos inibidores. Os resultados também indicam que a concentração de haloisita escolhida (0,5 %) está acima do ideal, causando defeitos no revestimento que aumentam a suscetibilidade a corrosão a longo prazo. Entretanto, o revestimento desenvolvido demonstra um grande potencial de aplicação como primer.

Abstract: Aluminum is the most abundant metal in the Earth's crust, making up about 8.2% of its mass. Due to its properties such as high thermal and electrical conductivity, high ductility, and mainly low density, aluminum is widely used in everyday life, from disposable packaging to aircraft manufacturing. In this way, society spares no effort in obtaining and benefiting it. To change the properties of aluminum and achieve new applications, other elements can be incorporated into its structure, forming metallic alloys, such as the aluminum alloy AA2024-T3. This alloy has high mechanical resistance and excellent specific strength, being used mainly in the manufacture of aircraft fuselage. However, this alloy presents a high susceptibility to localized corrosion due to the intermetallic particles precipitated in its crystalline network. Given this, to enable its use and increase the useful life of the material, means are sought to protect the alloy from corrosion, for these, different methods can be used. For a long time, anti-corrosion protection means that are harmful to human health and the environment was used, mainly based on chromates and polymers soluble in VOCs. Therefore, the scientific community seeks to facilitate the use of environmentally sustainable compounds of natural origin to replace these harmful compounds. In the development of organic coatings, natural polymers, and their derivatives gain prominence, such as pectin, alginate, cellulose, and chitosan. The use of these natural compounds in anti-corrosion protection presents promising results, however, high-performance applications have not yet been obtained due to the strong interaction of these polymers with aqueous media, making it necessary to research for ways to improve the anti-corrosion protection of these compounds. One way to improve anti-corrosive properties is through smart coatings, composed of the association of an organic coating with nano reservoirs containing corrosion inhibitors that are released at the site of corrosion from a trigger. In this work, an environmentally sustainable smart coating was developed using chitosan as a polymer matrix, halloysite nanotubes as nano reservoirs, and vanillic and gallic acids as corrosion inhibitors. Furthermore, in an unprecedented way, the influence of chitosan molecular weight on anticorrosive protection was investigated. All tests carried out (swelling, contact angle, corrosion in saturated atmosphere, and EIS) indicated that low molecular weight chitosan offers better performance in anti-corrosion protection. Therefore, low molecular weight chitosan was selected to compose the smart coating. The results obtained from the smart coating show a functional release mechanism based on changes in pH and a delay in corrosion due to the insertion of inhibitors. The results indicate that the chosen halloysite concentration (0.5%) is above ideal, causing defects in the coating that increase susceptibility to corrosion in the long term. However, the developed coating demonstrates great potential for application as a primer.