Als we algen, en met name diatomen, kunnen gebruiken om milieuvriendelijke anticorrosiecoatings nog efficiënter te maken, kunnen we allerlei constructies – denk aan vliegtuigen, treinen, pantserwagens en dergelijke – beschermen zonder giftige en dure materialen te gebruiken.

Om metalen constructies te beschermen tegen corrosie wordt veel gebruikgemaakt van coatings. Die coatings bieden passieve en actieve bescherming, bijvoorbeeld als barrière tegen corrosieverwekkers of als corrosie-inhibitoren carriers (dragers). In coatings worden al bijna honderd jaar corrosie-inhibitoren op basis van chroom VI toegepast om de beschermende functie ook na aantasting in stand te houden. Zulke deeltjes werken efficiënt maar zijn zeer giftig en kankerverwekkend. Daarom is het gebruik van chromaten voor veel toepassingen verboden. In de veeleisende luchtvaart- en ruimtevaartsector zou dit ook worden doorgevoerd, maar het verbod is meerdere keren uitgesteld vanwege een gebrek aan goede alternatieven. Een mogelijk alternatief is het gebruik van algen, meer specifiek de exoskeletten van zogenaamde diatomen.

In 2015 is universitair docent Santiago Garcia, verbonden aan de onderzoeksgroep Novel Aerospace Materials, een project gestart om het gebruik van exoskeletten van diatomen (ook wel frustule genoemd) ter bescherming van lucht- en ruimtevaartconstructies te onderzoeken. Garcia: “In 2015 hebben we het eerste proof of concept opgesteld om aan te tonen dat algen kunnen worden gebruikt voor actieve corrosiebescherming en zelfherstel. Ik ben ervan overtuigd dat dat enorme gevolgen kan hebben.”

Waarom frustule van diatomen?

Er is al een aantal veelbelovende corrosiebeschermers die mogelijk chromaat zouden kunnen vervangen. Uit onderzoek is echter gebleken dat er ongewenste reacties kunnen optreden tussen deze inhibitoren en de omringende coatingmatrix, waardoor de efficiëntie van de inhibitoren  wordt verminderd. Eén manier om dat te voorkomen is door de inhibitoren  onder te brengen in carriers. Het gebruik van een carrier vermindert de interactie tussen de inhibitoren  en hun omgeving. Bovendien kan de carrier worden gebruikt om het vrijkomen van de corrosie-inhibitoren te reguleren. Een dergelijke aanpak kan theoretisch een veel efficiëntere anticorrosiecoating opleveren.

Frustule (diatoom exoskeletten) van het type Aulacoseira

Frustule kunnen dienstdoen als carrier op microformaat. Waarom zijn ze met hun specifieke architectuur zo geschikt voor deze toepassing? Promotieonderzoeker Paul Denissen licht toe: “Frustule zijn holle microdeeltjes van silica met nanoporiën, ook wel ‘pill-boxstructuren’ genoemd. Ze hebben een celwand gemaakt van silica, met een sterke structuur vol poriën. Gelukkig voor ons zijn die poriën groot genoeg om in beide richtingen corrosieremmers(corrosie-inhibitor) door te laten.”

Bestudering van afzonderlijke deeltjes

Nadat Paul Denissen met een scriptie over dit onderwerp zijn master had behaald, is hij in januari met zijn promotieonderzoek begonnen. Daarvoor houdt hij zich bezig met het isoleren en bestuderen van afzonderlijke frustuledeeltjes met behulp van geavanceerde karakteriseringstechnieken. Garcia: “Frustule lopen zeer uiteen in vorm, grootte en poreusheid (dit noemen we de architectuur). Er moeten speciale tests worden uitgevoerd om vast te stellen hoe afzonderlijke deeltjes zich gedragen en hoe we dat gedrag kunnen beïnvloeden. Kort gezegd willen we:

• De mogelijkheden verkennen van het gebruik van diatoomexoskeletten en aantonen dat deze kunnen worden gebruikt voor de opname en gecontroleerde vrijgave van functionele soorten in coatings zoals corrosie-inhibitoren;
• Evalueren wat de effecten van de architectuur en geometrie zijn op het vrijkomen en de efficiëntie van corrosie-inhibitoren;
• Het oppervlak van diatoomexoskeletten modificeren en bepaalde triggers, zoals een veranderende pH-waarde, gebruiken om de vrijgave van corrosie-inhibitoren te reguleren.

Als we daar eenmaal inzicht in hebben, kunnen we op basis van ruimschoots verkrijgbare grondstoffen coatings maken die op het juiste moment precies de benodigde hoeveelheid corrosie-inhibitoren vrijgeven.”

Corrosiebeschermingsmechanisme van coatings met diatoomexoskeletten waaraan inhibitoren  zijn toegevoegd

Natuurlijke oplossing voor industrieel probleem

De NovAM-groep onderzoekt momenteel specifiek de extra sterke aluminiumlegering 2024, die bij de productie van lucht- en ruimtevaartonderdelen wordt gebruikt en die bijzonder gevoelig is voor corrosie. De methode kan echter worden gebruikt om alle metaallegeringen te beschermen. Denissen legt uit dat dit zelfherstellende mechanisme in de toekomst ook voor andere toepassingen kan worden gebruikt: “Elke inhibitor  heeft bepaalde kenmerken, die een bepaald effect hebben als de inhibitor  in een carrier is ondergebracht. Als we de afzonderlijke deeltjes eenmaal hebben gekwantificeerd en hun gedrag hebben gemeten, kunnen we bepalen welk soort deeltje het meest geschikt is voor een bepaalde toepassing, bijvoorbeeld in de lucht- en ruimtevaart.”

Als we algen, en met name diatomen, kunnen gebruiken om milieuvriendelijke anticorrosiecoatings nog efficiënter te maken, kunnen we allerlei constructies – denk aan vliegtuigen, treinen, pantserwagens en dergelijke – beschermen zonder giftige en dure materialen te gebruiken. Garcia: “Diatomen komen vrijwel overal voor waar water is. Diatomen planten zich voort met sporen en ongeslachtelijk door middel van tweedeling, en groeien bijzonder snel. Frustule gebruiken voor anticorrosiecoatings zou niet alleen gezonder zijn in vergelijking met de huidige synthetische middelen, maar daarnaast ook opschaalbaar, duurzaam en betaalbaar. Dit nieuwe concept sluit aan op ons lopende onderzoek naar zelfherstellende polymeersystemen en nieuwe functionele micro- en nanovezels voor composieten en coatings gemaakt van algen.”