Uso de Materiales de Superhidrofóbico Para La Protección De Estructuras Marinas

Uso de Materiales de Superhidrofóbico Para La Protección De Estructuras Marinas José Chang Leung (8-848-2398) 1, Moisés Villareal (8-852-989) 2 Fernando Aguilar (9-737-2201) 3 1 Uniersidad Tecnológica de Panamá 1 [email protected], 2 [email protected], 3 [email protected]

Resumen– La Corrosión es la causa general de la destrucción de la mayor parte de los materiales naturales o fabricados por el hombre. Si bien esta fuerza destructiva ha existido siempre, no se le ha prestado atención hasta los tiempos modernos, con el avance de la tecnología. El desarrollo de la industria y el uso de combustibles, en especial el petróleo, han cambiado la composición de la atmósfera de los centros industriales y grandes conglomerados urbanos, tornándola más corrosiva. La producción de acero y las mejoras de sus propiedades mecánicas, han hecho de él un material muy útil, junto con estas mejoras, se está pagando un tributo muy grande a la corrosión, ya que el 25% de la producción mundial anual del acero es destruida por la corrosión. La corrosión de los metales constituye una de las pérdidas económicas más grande de la civilización moderna. Sin embargo, no siempre la corrosión es un fenómeno indeseable, ya que el proceso de corrosión es usado diariamente para producir energía eléctrica en las pilas secas, donde uno de las partes fundamentales del proceso es una reacción de corrosión.

Palabras claves– oxidación, superhidrofobicos, estructuras marinas, corrosión, serie galvánica, ánodos, cátodos Abstract– Corrosion is the cause of destruction of most of the natural or man-made materials. Although this destructive force has always existed, it has not been paid attention to it until modern times, with the advancement of technology. The industry´s development and the use of fuels, especially oil, have changed the composition of the atmosphere from industrial centers and large urban centers, making it more corrosive. Steel production and improved mechanical properties have made it a very useful material along with these improvements, it is paying a big tribute to corrosion, since 25% of annual world production of steel is destroyed by corrosion. The corrosion of metals is one of the largest economic losses of modern civilization. However, corrosion is not always an undesirable phenomenon, since the corrosion process is used daily to produce electricity in dry batteries, where one of the key parts of the process is a corrosion reaction.

Keywords– oxidation, superhydrophobic, marine structures, corrosion, galvanic series, anodes, cathodes 1. Introducción

2. Marco Teórico

Se trata de la oxidación, catalogada ya como el desastre natural más destructivo del mundo moderno. Este proceso, según el ingeniero mecánico Jovanny Díaz, se define como el deterioro de un material a causa de los compuestos electroquímicos de su entorno. En el caso de las piezas hechas de hierro o acero, la acción del agua, sumadas a las condiciones ambientales, favorece el aparecimiento de la corrosión. [1] Los últimos avances en nanotecnología han permitido desarrollar sustancias capaces de aportar propiedades superhidrofóbicas a cualquier superficie con el fin de repeler líquidos como el agua u otras sustancias de mayor viscosidad como el aceite, gracias a la película de aire generada por su nano estructura [2]. Estos tratamientos superficiales tienen interesantes aplicaciones industriales para reducir la resistencia a la abrasión e incrementar la durabilidad de la maquinaria.

2.1 Concepto de Oxidación El óxido no es más que el resultado de una reacción química donde el oxígeno del aire y el disuelto en el agua de mar se combinan con el hierro para crear óxido férrico. Es natural como la vida misma y ocurre irremediablemente al buscar el hierro su estado más estable en forma de óxido de hierro combinado con el oxígeno. La capa de óxido que se forma aísla al acero del casco que queda debajo, deteniendo el proceso químico de oxidación hasta que no se vuelva a poner el acero limpio en contacto de nuevo con el oxígeno [3]. Como la oxidación se produce en agua salada o ambiente húmedo, la reacción es mucho más virulenta al producirse un efecto electroquímico acelerado por la sal disuelta en el agua de mar. Y todavía puede ser peor debido a las corrientes eléctricas en el casco, producidas por efectos de fricción del movimiento del barco, o por la utilización de metales diferentes, que actúan entre sí como si se tratara de una verdadera pila eléctrica.

Figura 1. La oxidación es considerada ya como el fenómeno natural más destructivo del mundo. 2.2 La Corrosión Electroquímicas Cada metal tiene una tendencia diferente a ganar o perder electrones, tendencia conocida como “potencial electroquímico”. Si ponemos en contacto dos metales de distinto potencial eléctrico, en contacto directamente o en agua salada que permite la circulación de la corriente eléctrica, se producirá la corrosión. Al juntar dos metales, uno con muchas ganas de perder electrones y otro con muchas ganas de ganarlos y además los ayudamos por un buen conductor de electrones como lo es el agua de mar con iones disueltos, lograremos una el fenómeno de corrosión [4].

Figura 2. Zonas de contacto con la corrosión. Cada metal tiene una tendencia diferente a ganar o perder electrones, tendencia conocida como “potencial electroquímico”. Si ponemos en contacto dos metales de distinto potencial eléctrico, en contacto directamente o en agua salada que permite la circulación de la corriente eléctrica, se producirá la corrosión. Al juntar dos metales, uno con muchas ganas de perder electrones y otro con muchas ganas de ganarlos y además los ayudamos por un buen conductor de electrones como lo es el agua de mar con iones disueltos, lograremos una el fenómeno de corrosión [4]. El agua de mar actúa como electrolito es decir un líquido en el que flotan cargas eléctricas y capaz de hacer circular a los electrones libres, vengan de donde vengan, actuando como un conductor eléctrico.

En los mercantes se aprecia como la línea de flotación está muy corroída porque el agua de la superficie está mucho más oxigenada que el resto facilitando la oxidación. A mayor temperatura más corrosión pues con la temperatura se facilita la reacción de oxidación. Si un ácido contamina el agua también aumenta la corrosión, mientras que en ambientes alcalinos se retarda la corrosión. Por esta razón se bañan los interiores de los tanques metálicos con una lechada de cemento que es alcalino y protege de la oxidación [5].

Figura 3. Ecuaciones de Reducción y Oxidación 2.3 Afectación Actualmente de la Corrosión En términos económicos se estima que aproximadamente el 5% del producto interno bruto (P.I.B) de un país industrializado se gasta directa e indirectamente en prevenir y corregir problemas relacionados con la corrosión metálica. Las pérdidas económicas derivadas de la corrosión pueden dividirse en pérdidas directas y pérdidas indirectas: Entre las primeras puede destacarse: Coste de mantenimiento, Coste de reposición (material, transporte y mano de obra), Costes por averías imprevistas y Costes directos [6]. El alcance de las pérdidas indirectas por causa de la corrosión es más difícil de evaluar, sin embargo, algunas de las circunstancias más frecuentes que pueden acarrear este tipo de pérdidas son: interrupciones en la producción, pérdidas de productos, pérdidas de rendimiento, contaminación de los productos, sobredimensionado y costes indirectos por daños accidentales. Cuando el factor primordial a considerar es la seguridad, los daños que pueden ocasionar la corrosión sobrepasan a cualquier predicción [7]. En el estudio de la corrosión, no solo es importante investigar la tendencia a la corrosión de los diferentes materiales en diferentes ambientes, sino la velocidad del proceso, para poder determinar la vida media del material en cada ambiente.

Figura 4. Pérdidas de producción debida a la corrosión. 2.4 Tipos de Protecciones En la actualidad se práctica técnicas para evitar la corrosión. Nosotros nos enfocamos en tres técnicas: Protección Catódica, Ánodos de Sacrificios, Serie Galvánica, Protección por Recubrimiento y Protección Anódica. 2.4.1 Protección Catódica La protección catódica es un método electroquímico cada vez más utilizado hoy en día, el cual aprovecha el mismo principio electroquímico de la corrosión, transportando un gran cátodo a una estructura metálica, ya sea que se encuentre enterrada o sumergida. Para este fin será necesario la utilización de fuentes de energía externa mediante el empleo de ánodos galvánicos, que difunden la corriente suministrada por un transformador-rectificador de corriente [8].

Figura 5. Sistema de Protección Catódica El mecanismo, consecuentemente implicará una migración de electrones hacia el metal a proteger, los mismos que viajarán desde ánodos externos que estarán ubicados en sitios plenamente identificados, cumpliendo así su función.

Figura 6. Ecuación Básica de Protección Catódica

2.4.2 Ánodos de Sacrificios Para evitar la corrosión de los metales utilizados se usan los ánodos de sacrificio. Son piezas con un potencial bajo, que se destruyen por corrosión evitando que lo hagan otras partes metálicas de la embarcación. Se suelen colocar a la vista en contacto directo con el metal que debe proteger y deben ser fácilmente sustituibles [9]. Estos ánodos son de zinc (utilizado de forma mayoritaria), aluminio y magnesio, como base, aunque incorporan manganeso, titanio y cromo, para mejorar sus características electroquímicas. Por razones ambientales, el porcentaje de presencia de estos componentes está limitado.

Figura 7. Ánodo de Sacrificios Por su función, los ánodos de sacrificio pueden ser fuente de contaminación por su descomposición en el medio. Como consecuencia de los cambios de los ánodos de sacrificio, se producen residuos: los ánodos desgastados. Bajo ninguna situación los ánodos de sacrificio pueden ser pintados, pues esto los aislaría deteniendo el proceso migratorio de cinc hacia el acero del casco y por tanto la protección. El magnesio está aún más abajo que el cinc en la escala galvánica y se puede utilizar como material para ánodos, pero es mucho más caro. 2.4.3 Serie Galvánica La serie galvánica determina el grado de nobleza o inercia química de los metales y semimetales. A la inversa, dicha serie mide la tendencia de dichos materiales para sufrir corrosión [10]. Cuando dos metales están sumergidos en un electrolito, a la vez que están conectados eléctricamente, el menos noble (base) experimentará una corrosión galvánica. La velocidad de corrosión galvánica se determina por el electrolito y la diferencia en la nobleza, que se puede apreciar en esta serie. La diferencia de nobleza se puede cuantificar a partir de la diferencia de sus potenciales de corrosión.

La reacción galvánica entre dos metales es una reacción redox y es el principio en que se basan las pilas [11].

2.4.4.2 Recubrimientos Metálicos 2.4.5

Protección Ánodica

Se distinguen varios métodos según el modo en que se deposita la capa protectora [12]:

Figura 8. Principios de corrosión galvánicas de dos metales 2.4.4 Protección Por Recubrimiento En principio es el método más evidente, cubrimos el material por una capa de otra sustancia que no se oxida y que impide que el material sensible entre en contacto con el oxígeno y la humedad. Dentro de este tipo de protección podemos diferenciar: recubrimientos no metálicos y recubrimientos metálicos [12]. 2.4.4.1 Recubrimientos No Metálicos  Pinturas y barnices: Método económico. Precisa que la superficie del material a proteger se encuentre limpia de óxidos y grasas. El minio, pintura que contiene en su composición óxido de plomo, es uno de los más empleados.  Plásticos: Son muy resistentes a la oxidación. Tienen la ventaja de ser muy flexibles, pero tienen muy pobre resistencia al calor, el más habitual es el PVC.  Esmaltes y cerámicos: Tiene la ventaja de resistir elevadas temperaturas y desgaste por rozamiento [13].

 Inmersión: Se sumerge el metal a proteger en un baño de otro metal fundido. Al sacarlo del baño, el metal se solidifica formando una fina película protectora. Los metales más comúnmente empleados en estos procedimientos son: estaño, cinc, aluminio y plomo.  Electrodeposición: Se hace pasar corriente eléctrica entre dos metales diferentes que están inmersos en un líquido conductor que actúa de electrolito. Uno de los metales será aquel que queremos proteger de la oxidación y hará de cátodo. El otro metal hará de ánodo. Al pasar corriente eléctrica, sobre el metal catódico se crea una película protectora. Con este método se produce el cromado o niquelado de diversos metales.  Protección por capa química: Se provoca la reacción de las piezas con un agente químico que forme compuestos de un pequeño espesor en su superficie, dando lugar a una película protectora por ejemplo: cromatizado y fosfatación.

Figura 10. Ejemplos de recubrimientos metálicos.

3. Solución

Figura 9. Recubrimiento con pinturas y barniz

Superficies superhidrofóbicas; se basan en el efecto del loto, también llamado efecto lotus antiadherente, A diferencia de la hidrofobicidad que es una propiedad química, la superhidrofobia es una propiedad fundamentalmente física. De acuerdo con las investigaciones de Julius Marmur en el campo de la biología molecular, hay dos principios básicos en los que se basa la superhidrofobicidad: el primero de ellos es generar un ángulo de contacto de la gota de agua con la superficie, y el segundo principio es conseguir que ese ángulo tenga la mayor inclinación posible para alejar la gota lo máximo posible de la superficie. De

modo que si el ángulo de contacto oscila entre 90 y 150 grados, obtenemos propiedades hidrofóbicas que repelen el agua. En cambio, con un ángulo de contacto superior a 150 grados, a escala nanométrica, se amplifica el efecto de la tensión superficial del agua y hace que se convierta en una superficie imposible de mojar, obteniendo así características superhidrofóbicas.

no han conseguido obtener un producto totalmente transparente por lo que no se recomienda su uso en superficies como vidrio o lentes, ya que disminuye la visibilidad y no permite la captura de buenas imágenes. Estos ejemplos descritos ilustran el sinfín de aplicaciones directas del efecto loto en el sector industrial, pero su aplicación sobre tejidos podría revolucionar el sector de la moda con la fabricación de ropa imposible de manchar y que por tanto no requerirá del uso de la lavadora para su mantenimiento. También como barrera para prevenir el efecto de los grafitis sobre las paredes y el mobiliario urbano de los espacios públicos o como superficie antibacteriana en biomedicina. Lo cierto es que este revolucionario producto va a dar mucho que hablar en los próximos años gracias a los últimos avances en nanotecnología, aumentando la vida útil de casi cualquier superficie además de ahorrarnos los antiestéticos lamparones en nuestros pantalones preferidos.

Figura 10. Ampliación de superficie

El ángulo de contacto generado por la estructura a nano escala de este producto mantiene una película microscópica de aire a partir de la nanoestructura del polvo superhidrofóbico en las superficies donde se pulveriza el producto, produciendo un cambio en la interfaz básica sólido-agua que evita que el líquido interactúe con la superficie. Esta característica fundamental le otorga cualidades antibacterianas, anticorrosivas, anticongelantes, de auto limpieza y resistencia al agua muy interesantes para la industria y la construcción, donde la maquinaria, las herramientas y los equipos de trabajo se exponen a situaciones extremas y a la acción del aguau otras sustancias. Dado que las superficies superhidrofóbicas se vuelven más resistentes e higiénicas, se evita la adherencia de la grasa y la corrosión de los materiales metálicos por la acción del agua salina o la cal, incrementando la durabilidad del material. Además, como la superficie es imposible de mojar, se evita también las condensaciones de agua en la superficie y la formación de hielo en climatologías extremas. Por si fuera poco, sus características reducen la fricción del agua sobre la superficie, aportando importantes mejoras en el campo de la hidrodinámica. Otro ejemplo ilustrativo de las superficies superhidrofóbicas es que dada su repelencia al agua son un aislante perfecto para prevenir daños en equipos eléctricos o electrónicos por el contacto accidental con agua, además de ser inmunes a la suciedad, ya que evitan la adherencia de cualquier molécula de polvo o suciedad en cualquier superficie. En cambio, todavía

Figura 11. Efecto superhidrofóbico

4. Propuesta Barcos construidos con superficies hidrofóbicas; como se ha descrito anteriormente, los cascos de los barcos se ven expuestos directamente al agua salada de los mares, lo que permite que se den todas las condiciones necesarias para que exista corrosión. Si se construyen barcos con cascos superhidrofóbicos se reduciría grandemente o totalmente, en el caso más optimista, la corrosión. Esta propuesta reduciría los costos de mantenimiento de los barcos, aunque quizás aumente la inversión inicial. Nuestra propuesta se concentra en barcos y cualquier tipo de embarcación marítima. Hiendo más allá, en el futuro podrían crearse barcos con superficies superhidrofóbicas “inteligentes”, capaces de revertir la acción de un daño mecánico, sin necesidad de hacer costosas reparaciones, al igual que ciertos seres vivos de la naturaleza tienen la capacidad de auto regenerarse.

Para barcos que no cuentan con esta tecnología por el momento, proponemos el estudio de pinturas que conviertan las superficies de los cascos de dichos barcos en superhidrofóbicos. Nuestra propuesta va encaminada a reducir los costos de mantenimiento de los cascos de los barcos, asi como ser amigables con el medio ambiente. Al construir una estructura superhidrofóbica, lo que se logra es que el agua “resbale” solamente por la superficie del barco, evitando cualquier cambio de la composición química del agua que resbala de la superficie. De esta forma protegemos el casco del barco y no se contaminaría el agua de mar.

5. Conclusión El uso de metales con propiedades superhidrofóbicas en estructuras marinas es importante para nuestro país ya que tenemos el Canal De Panamá y por tanto es posible recomendar dicho metal para próximas ampliaciones, para reducir en gran medida los costos de mantenimiento y reparación. Los metales superhidrofóbicos han arrojado resultados positivos no solo con la corrosión, sino también con la abrasión y fricción es por ello que podemos sugerir a puertos y zonas libres con estructuras marinas de nuestro país, que utilicen este metal para sus operaciones marítimas con la finalidad que se reduzca en gran medida los costos de operación.

6. Agradecimiento Primeramente le agradecemos a la faculta de Ingeniería Mecánica por el apoyo y el interés brindado por nuestra investigación. Le extendemos un caluroso agradecimiento a nuestro estimado profesor, Jovanny Días, quien fue el que nos encamino en este interesante tema, además de agradecer a los estudiantes de Ingeniería Electromecánica: Fernando Aguilar y Moisés Villareal, quienes además de aportar contenido valioso al documento, tuvieron una labor técnica destacada para la edición del mismo. Esperamos poder seguir elaborando y contribuyendo con dicho para combatir el problema de corrosión lo cual ha sido el efecto negativo que se ha tenido durante décadas, en especial en el área de manufactura.

7. Referencias [1]

L.Vásquez. http://www.batanga.com/curiosidades/4770/por-que-seoxidan-los-metales-al-aire-libre [Consulta: 23 octubre 2015].

[2]

Miguel, A., Pérez http://blogthinkbig.com/metalsuperhidrofobico-repele-por-completo-el-agua/ [Consulta: 23 octubre 2015]. [3] Anónimo. http://www.fondear.org/infonautic/barco/Diseno_Const ruccion/Corrosion_Maldita/Corrosion_maldita.htm [Consulta: 26 octubre 2015]. [4] Anónimo. http://www.revistavirtualpro.com/revista/corrosionelectroquimica/5 [Consulta: 26 octubre 2015]. [5] Anónimo. http://www.ugr.es/~mota/Parte2-Tema05.pdf[Consulta: 28 octubre 2015]. [6] CC., Douglas. http://www.mnve.mil.ve/web/index.php?option=com_c ontent&task=view&id=95&Itemid=84[Consulta: 31 octubre 2015]. [7] C., Andrade. http://cdigital.uv.mx/bitstream/123456789/39476/1/An dradeGomez.pdf [Consulta: 3 noviembre 2015]. [8] Anónimo. http://www.surtidores.com.ar/Contenido/noticia6163.ht ml [Consulta: 6 noviembre 2015]. [9] Anónimo. http://www.cprac.org/various/cprac_manual_nautic/es/ content.php-id=157.htm[Consulta: 6 noviembre 2015]. [10] Anónimo. http://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm12/pfcm12_2_3 .html[Consulta: 8 noviembre 2015]. [11] C.,L., Mantell. https://es.wikipedia.org/wiki/Serie_galv%C3%A1nica[ Consulta: 10 noviembre 2015]. [12] Anónimo. http://educativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repo sitorio/4750/4912/html/31_proteccin_por_recubrimient o.html[Consulta: 15 noviembre 2015]. [13] C., Velasco. http://blog.utp.edu.co/metalografia/389-2/[Consulta: 15 noviembre 2015].