close

Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og at Mediehuset Ingeniøren og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, tilbud mm via telefon, SMS og email. I nyhedsbreve og mails fra Mediehuset Ingeniøren kan findes markedsføring fra samarbejdspartnere.
supermaterialer bloghoved

En dobbelt grafen-burger giver korrosionsbeskyttelse over lang tid

Efter fire måneder gad vi ikke vente længere. Det tager sin tid at måle langtidsbeskyttelse mod korrosion, i sagens natur. Og i modsætning til næsten alt her i verden, var det i den situation en kæmpe succes at der ikke var sket en fløjtende fis efter 120 dage!!!!!!

Champagnepropperne springer. Vi har ENDELIG fået grafen til at fungere som korrosionsbeskyttende coating. Målet var ikke at lave et kommercielt produkt (endnu :), men at se om vi kunne knække en vanskelig nød.

Grafen er stærkt, stabilt og uigennemtrængeligt - og burde være perfekt til korrosionsbeskyttelse. De første artikler viste at den nærmest var hjemme! Stærkt! Desværre er grafit - og dermed også grafen - en dårlig ide at have på sit metal - den høje ledningsevne og nobilitet giver galvanisk korrosion, og selv det mindste hul eller sprække i grafenlaget, vil øjeblikkeligt starte på en accelereret og aggressiv strøm af metalioner væk fra metallet, og det var ikke lige det der var meningen.

Nå. Den kolde afvaskning kom med artiklen "Worse than nothing". Vi havde lige startet to store innovationsfond projekter, DAGATE og NIAGRA, med danske virksomheder for at lave korrosionsbeskyttelse baseret på grafen, så det var ikke så sjovt. Den oprindelige forskningsplan røg i vasken og vi brainstormede om hvordan vi kunne omgå den galvaniske korrosion.

En af ideerne var at bruge bor-nitride (hvid grafen) der er en isolerende pendant til grafen, med næsten de samme egenskaber. Vi vist at det var helt fantastisk til at beskytte mod oxidering... men det er desværre dyrt at lave, og meget mere bøvlet en grafen.

Så kom min PhD studerende, Feng Yu, en meget kreativ og initativrig ung fyr, på noget smart. Hvis man laver en sandwich struktur, hvor man har et tyndt polymer lag til at adskille grafen laget elektrisk fra overfladen, så skulle det løse problemet. Et lag på toppen til at beskytte grafen-laget, og så er sandwichen - eller burgeren om man vil - klar til servering.

Vi testede coatingen på AA (aircraft aluminium), badet i simuleret saltvand. Derefter foretog vi potentiodynamiske målinger og impedansspektroskopi for at se hvordan coatingen havde det, og hvor stor korrosionsstrømmen var. Coatingen virkede - men holdt ikke så længe. I løbet af den første måned, begyndte korrosions-tegnene at vise sig på aluminiumsemnerne, og vi kunne se at korrosionsstrømmen steg betydeligt.

Feng Yu er ikke typen der lader sig stoppe, så han kom nu op med den dobbelte sandwich... eller "dobbelt-grafen-burgeren". Her har vi polymer-grafen-polymer-grafen-polymer (PGPGP), og til vores forbløffelse viste det sig ikke bare at blive "dobbelt" så godt, men at give en langt bedre performance. Efter fire måneder, hvor vi ikke gad at vente længere, konstaterede vi at coatingen var uforandret, at korrosionsstrømmen var ligeså latterligt lav som da vi startede, og metallet ikke havde opdaget at det havde været nedsænket i saltvand.

Illustration: peter bøggild

Feng Yu sammenlignede alle tænkelige kombinationer af polymer og grafen - med og uden grafen, tre polymerlag uden grafen, 1 lag grafen, 2 lag grafen, 3 lag grafen, grafen lagene face to face, grafen lagene adskilt af polymer, grafen-oxid etc etc. Han har nok brugt 2 år på det, for der var mange prøver der skulle fremstilles, udsættes for saltvand og måles igennem forfra og bagfra.

Konklusionen er klar. En dobbelt burger løser problemet :D (ligesom dagen efter julefrokosten). Vi har en slags forklaring. Grafenlagene har altid huller og sprækker - det kan ikke undgås når de atom-tynde lag håndteres og flyttes, uanset hvor forsigtig man er. Men når man har 2 lag ovenpå hinanden, er chancen for at der lige skulle være to defekter tæt på hinanden ret lille. Alt i alt, bliver diffusionen gennem coatingen meget langsommere ved at gå fra 1 til 2 lag, men ikke i lige så væsentlig grad lavere ved at gå fra 2 til 3.

Vi har publiceret artiklen i CARBON, og man kan læse den her. Vi håber på at få lagt den på Arxiv, så alle kan se med... det bliver nok næste uge.

Forskningen blev støttet af innovationsfond projekterne DAGATE og NIAGRA, hvor virksomheder som LEGO, Grundfos, SP Group, Welltec og Mekoprint lærte mere om grafens muligheder sammen med Århus Universitet, Københavns Universitet og så Danmarks Tekniske Universitet - hvor jeg kommer fra :)

PeterBøggild
er professor i nanoteknologi på DTU. På bloggen Supermaterialer skriver han om stort, småt og tusind gange mindre.

Hej Peter,

Hvad er jeres polymerlag? Hvis det ikke er polyparylen, så vil det være en oplagt kandidat til de videre forsøg. Polyparylen kan deponeres fra gasfase (kondensering af termisk dissocieret precursor). Dels er det ret nemt at lægge i kontrollerede lagtykkelser og dels må deponeringsmetoden være noget I nemt kan implementere i den slags laboratorie jeg tror du leger i.

Det er muligt at I kan nøjes med en polyparylen/grafen/polyparylen burger fordi polyparylen i sig selv er en ret god barriere.

  • 0
  • 0

Hvad er forbehandlingen af Alu emnet? I må starte ud med et Al2O3 lag næsten ligegyldigt hvad I gør. En indledende silanbehandling bør give dig en organisk overflade, der er nemmere at binde en polymer på, i forhold til rå Al2O3 .

  • 2
  • 0

Selv med mit ringe kendskab til emnet vil jeg gætte på, at dit forslag om et enkelt lag grafen strider imod de resultater, artiklen fremlægger. Uanset polyparylens evt. bedre egenskaber fremhæves jo netop det væsentlige i et dobbelt grafenlag.

  • 0
  • 0

Selv med mit ringe kendskab til emnet vil jeg gætte på, at dit forslag om et enkelt lag grafen strider imod de resultater, artiklen fremlægger.

Det er jeg nu ikke så sikker på. Det bliver lidt tungt at diskutere her, men jeg kan prøve:
Diffusion er drevet af gradienter i koncentrationen af det (opløste) stof der diffunderer.
Under en meget, meget tynd polymer film (f.eks 10 nm polyparylen) er der langt mindre plads til at vandet kan udbrede sig, relativt til under en tyk (mikrometer) polymerfilm. En anden sag man skal tage i ed er diffusionen i interfacet imellem polymerfilm og metal. Dette kan meget vel være den primære transportmekanisme når vandet er sluppet igennem grafenen. Hvis det er tilfældet, så er gamet måske snarere at sikre minimal stoftransport i interfacet.
Det er et sjovt men også ret komplekst problem vi har med at gøre her......

  • 1
  • 0

Tillykke med resultaterne!

Hvordan speeder man korrosionstesten op? Med en kraftig saltopløsning eller sætter man simpelthen strøm til (elektrolyse)?

  • 0
  • 0

Det lyder fornuftigt nok. Og, som du siger, spændende!
Noget helt andet er: Selvom man har fået lavet en god hinde, har man vel stadig det problem, at ridser og andre fysiske skader på den skaber mulighed for den galvanisk tæring, som artiklen også omtaler. Vil det så være nødvendigt med en eller anden form for galvanisk beskyttelse - et offerlag eller påtrykt spænding?

  • 0
  • 0

Selvom man har fået lavet en god hinde, har man vel stadig det problem, at ridser og andre fysiske skader på den skaber mulighed for den galvanisk tærin

Yep, det er her polymersandwichen kommer ind. Nederste lag forhindrer elektroner i at løbe fra grafenen til metallet. Øverste lag forhindrer ladningsudveksling imellem grafen og elektrolyt så det er livrem & seler. Så længe at metallet ikke kan udveksle ladning med grafenen, kan metallet ikke "mærke" at grafenlaget er mere ædelt.

  • 0
  • 0

Så længe at metallet ikke kan udveksle ladning med grafenen, kan metallet ikke "mærke" at grafenlaget er mere ædelt.

Tak - det giver mere og mere mening.

  • 0
  • 0

Det er Polyvinyl butyral ---- men helt klart, polymeren er en af de rigtigt lovende knapper at skrue på! ... der er så mange muligheder, for at styre mekaniske, vedhæftnings-, termiske og alle mulige andre egenskaber.

  • 1
  • 0

Jeg vil iøvrigt ikke udelukke at et enkelt lag kan virke - kravene til at "nul huller" er bare højere. Så to lag grafen er er en "cost-effective" løsning (ved ikke hvad "cost-effective" hedder på dansk. Kost-effektiv? lyder som en rigtig god rengøringshjælp.

  • 1
  • 0

Når vi laver accelererede test bruger vi en Atlas celle - her udsætter vi den stakkels coating for en aggressiv opløsning (som fx salt som faktisk er ret slemt) i et kogekar, hvor coatingen er halv dækket af væske og halvt i damp. Temperatur forskellene og den højere temperatur gør livet rimeligt surt (eller basisk) for coatingen!!! ... desværre kan denne coating ikke så godt lide de højere temperaturer --- her vil det være en ide at skifte til en anden polymer!

  • 1
  • 0

Det er ubehandlet aircraft aluminium

Tak for svarene - glæder mig til at se artiklen.

Alu er sandsynligvis 7000 serie legeret med Mg, Zn og Cu.....

Diffunderet vand gør det ikke alene. Korrosionsmekanismen her er, at Cl- ionerne i vandet opløser Al2O3 laget hvilket blotlægger frisk metal der så kan korrodere til Al2O3 - der opløses osv osv indtil det hele er korroderet væk.

Forhindres Cl- ionerne i at nå overfladen bør den være stabil - hvilket så gør det til lidt af et mysterie at et lag grafen ikke er nok, med mindre der er pinholes i polymerfilmen.

  • 0
  • 0

Hvordan ville resultatet have været hvis i kun havet coatet aluminiumet med de 2 lag polymer og undladt grafen?

  • 0
  • 0

det er en anden strategi (mange grafen lag)... og mere almindelig - vores hypotese er at få kontinuerte lag kan gøre det samme som mange overlappende småflager, og bedre - fordi det er vanskeligt at "fylde" en polymer med flage-baserere kompositter ... det være sagt har vi i vores samarbejds projekt med SG Group og KU (Det er primært dem der har lavet al arbejdet) fået gode resultater med flage baserede coatings. Det er dog to ret forskellige slags coatings - vores kan f.eks. laves til folier på ruller. Deres kan sprøjtes på - det er en stor fordel.

  • 0
  • 0

Så holder det et par uger. I figuren kan du i midterområdet (lilla-pink zone) se hvad der sker med tre polymer lag uden grafen. Det er nogenlunde ok i begyndelsen , men efter 30 dage er det ødelagt. Grafenen stopper diffusionen helt ser det ud til.
Jeg mener det er diamant/rhombe symbolerne der viser de tre lag uden grafen.

  • 0
  • 0