ES2238179A1 - Material inhidibor de corrosion de metales y su procedimiento de preparacion. - Google Patents

Material inhidibor de corrosion de metales y su procedimiento de preparacion.

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Abstract

Material inhibidor de corrosión de metales y su procedimiento de preparación. Un material inhibidor de corrosión de metales que comprende al menos un producto inhibidor en fase vapor volátil, como una disolución de benzotriazol en un disolvente orgánico, y un soporte que comprende al menos una arcilla con red de silicato, seleccionada del grupo de los silicatos pseudolaminares, preferentemente sepiolita, y el producto inhibidor está impregnado en el soporte. El material que puede prepararse añadiendo el producto inhibidor en estado líquido a la arcilla en una mezcladora, rotatoria hasta que el producto inhibidor está absorbido sobre la arcilla, permite una inhibición de corrosión de metales a base de una combinación sinérgica entre el efecto de la absorción de la humedad ambiental y la liberación controlada y dinámica en función de la humedad existente del producto inhibidor de corrosión, y además constituye un material de menor coste con una elevada eficacia inhibidora, que se traduce en un ahorro muy atractivo.

Description

Material inhibidor de corrosión de metales y su procedimiento de preparación.
Campo técnico de la invención
La presente invención pertenece al campo de los inhibidores de corrosión de metales y, particularmente, al sector de los inhibidores en fase vapor volátil ("VCI" = Volatile Corrosion Inhibitors) empleados en almacenaje y el transporte de productos metálicos.
Estado de la técnica anterior a la invención
La creciente globalización de los mercados conduce a una actividad generalizada de transporte de materiales en todo el mundo, durante el cual se dan condiciones variables de humedad que pueden producir problemas de corrosión sobre los materiales metálicos. Para las empresas de producción, el transporte marítimo de las piezas es especialmente grave, ya que aparte de la elevada humedad que hay en las bodegas de los barcos, el contenido de cloruros debidos a la salinidad del ambiente hace que éste sea aún más favorable a la corrosión. Los fenómenos de corrosión aparecen con humedades relativas superiores al 60%, que es el umbral a partir de la cual la velocidad de corrosión de las superficies metálicas empieza a ser importante.
Las empresas que fabrican productos susceptibles de corrosión, o las empresas transportistas, son las responsables de su protección adecuada cuando éstos se encuentran en fases de almacenaje y transporte ya que tienen que protegerlos hasta su comercialización. Por ello, las empresas productoras deben emplear embalajes especiales que ofrezcan la garantía de que el objeto embalado llega en óptimas condiciones, con la superficie libre de corrosión.
Uno de los mercados en los que más se emplea el uso de recubrimientos protectores es el de chapa laminada en frío que a su vez es empleada en la industria del automóvil, construcción y en la industria del empaquetamiento. En la actualidad aproximadamente un 10% de todo el mercado de chapa laminada en frío tiene algún tipo de recubrimiento. Esto significa un total de unos 20 millones toneladas (Mt), de las cuales 7 Mt se emplean en la industria del automóvil, 4,5 en construcción y 8,5 en la industria del empaquetamiento. Los estudios de mercado hacen prever un incremento de este mercado de forma que en el año 2003 el porcentaje de chapa recubierta respecto de la producida era alrededor del 20%. Esto implica también un crecimiento sustancial de los recubrimientos orgánicos. En el mercado del automóvil se espera alcanzar un porcentaje del 14-25%. Los productores emplean en la actualidad una amplia gama de productos, por ejemplo productos galvanizados y galvanorecocidos, electrozincados, aleaciones Zn-Ni, aleaciones de aluminio, etc. El galvanizado es la más común de todos ellos.
La concentración de unidades de producción conduce a la necesidad de un transporte de gran tonelaje de estos productos que en muchos casos implica un transporte marino que es especialmente corrosivo dadas las condiciones de elevada humedad y salinidad del ambiente.
La corrosión atmosférica se produce como consecuencia del mantenimiento de los metales durante prolongadas etapas de almacenamiento y de transporte en condiciones variables de humedad y temperatura en las que se produce la condensación de la humedad ambiental; dicha condensación suele ser más corrosiva en el caso de la presencia de cloruros existentes en los ambientes marinos.
También el mantenimiento sin corrosión en los laboratorios de determinados utensilios o aparatos requieren un perfecto estado para su uso y se deben proteger de la corrosión cuando se guardan, o para que las muestras objeto de estudio permanezcan también en perfecto estado después de almacenarlas en los intervalos que median entre un ensayo y otro.
Asimismo, en el sector de la bisutería fina de modo que se garantice la falta de corrosión, incluso en ambientes muy húmedos o muy salinos y las empresas de óptica que deben mantener los elementos metálicos de sus equipos en perfecto estado.
Para prevenir o al menos aminorar los fenómenos de corrosión de superficies metálicas, se emplean hoy en día inhibidores en fase vapor volátil (VCI = Volatile Corrosion Inhibitors). Los VCI son reactivos químicos cuyos vapores se adhieren a la superficie de determinados metales formando una capa muy fina que pasiva al metal contra la corrosión. Además, debido a que la capa formada por los VCI sobre la superficie metálica es de naturaleza cristalina, y por ello soluble, la presencia de agua en el ambiente contribuye a disminuir el tiempo de la pasivación proporcionado por esta capa de VCI sobre la superficie metálica. VCI conocidos y más efectivos son determinadas aminas, sales de amonio y de aminas como por ejemplo son, la diciclohexilamina, el benzoato amónico, el benzoato ciclohexilamonio, sales de amina de ácido sebácico, o triazoles o tiazoles normalmente en disolventes orgánicos como alcoholes o cetonas como por ejemplo el benzotriazol en ispopropanol.
Sin embargo, los sistemas convencionales de aplicación de los VCI presentan el inconveniente de tener que operar con dosificaciones fijas y elevadas a fin de intentar prevenir la corrosión en los ambientes más húmedos en los que se encuentra el artículo metálico que pretende protegerse.
Otras formas de prevenir la corrosión de los metales durante su transporte o almacenaje consisten en la disposición de materiales higroscópicos en el entorno de los artículos metálicos a fin de reducir la humedad medioambiental. Tales materiales higroscópicos son, por ejemplo, los cristales de cloruro de calcio dispuestos en recipientes que contienen receptáculos que recogen el agua proveniente de la humedad atmosférica absorbido por el cloruro de calcio.
Estos sistemas presentan la desventaja de que realmente sólo reducen la humedad atmosférica en espacios cerrados de tamaño reducido.
Ante los inconvenientes de los sistemas convencionales para la prevención de la corrosión, era deseable poder disponer de un sistema que permitiera una dosificación "dinámica" de los VCI a fin de que en el ambiente sólo estuviera presente la cantidad de VCI necesaria en función de la humedad ambiental existente en cada momento y así se pudiera evitar el uso de cantidades excesivas innecesarias v, además, prolongar el efecto inhibidor de corrosión durante una tiempo alargado.
Descripción de la invención
La presente invención supera los inconvenientes de los sistemas inhibidores anteriormente conocidos mediante un material inhibidor de corrosión de metales que comprende al menos un producto inhibidor en fase vapor volátil y un soporte, en el que el soporte comprende al menos una arcilla con red de silicato, seleccionada del grupo de los silicatos pseudolaminares y el producto inhibidor está impregnado en el soporte. El material puede comprender entre un 1 y 30% en peso referido al peso total de la arcilla, del producto inhibidor, siendo especialmente idónea una proporción de 5 a 20% en peso referido al peso total de la arcilla.
Preferentemente, la arcilla es una arcilla calcinada, preferiblemente a una temperatura entre 200 y 700ºC, como por ejemplo a una temperatura entre 400 y 600ºC. La arcilla puede estar seleccionada entre sepiolita, atapulgita y combinaciones de las mismas. Preferentemente, la arcilla es sepiolita. Se ha podido verificar que un tamaño de partícula medio de la arcilla es de 0,1 a 6 mm, y convenientemente de 0,25 a 3,5 mm.
La sepiolita y la atapulgita pertenecen al grupo de los silicatos pseudolaminares, también conocido como el grupo paligorskita-sepiolita cuya estructura determina una morfología microfibrosa o acicular.
Así, la sepiolita es un silicato magnésico hidratado aunque también existen sepiolitas alumínicas (con un 19% de las posiciones octaédricas ocupadas por iones aluminio), férricas (denominadas xylotilo), niqueloférricas (falcondoita) y sódicas (loughlinita). Según Brauner y Preisinger, estructuralmente la sepiolita está formada por cintas tipo talco, compuestas por dos capas de tetraedros de sílice unidos mediante átomos de oxígeno a una capa central de octaédros de magnesio. Estas cintas tipo talco se disponen de forma que la capa tetraédrica de sílice es continua pero con los tetraedros de sílice invertidos cada seis unidades. Esta estructura determina una morfología acicular de las partículas de sepiolita, alargadas a lo largo del eje c, y la presencia de canales, denominados zeolíticos, orientados en la dirección del eje c de las partículas aciculares, con unas dimensiones de 3,7 \ring{A} x 10,6 \ring{A}, donde puede penetrar agua y otros líquidos. Como consecuencia de esta estructura, la sepiolita tiene una superficie específica muy alta, que se debe no sólo a la elevada superficie externa, sino también a la superficie interna originada por los canales zeolíticos. La superficie específica total teórica de la sepiolita, calculada a partir de los modelos estructurales, es de 900 m^{2}/g, de los que 400 m^{2}/g corresponden al área externa y 500 m^{2}/g al área interna. Sin embargo, no toda la superficie de la sepiolita es igualmente accesible a todas las moléculas. La superficie accesible de la sepiolita depende del adsorbato utilizado, de su tamaño y polaridad, lo que determina la accesibilidad de la molécula de adsorbato a los microporos de la arcilla y en los canales zeolíticos. La superficie BET accesible a N_{2} es de más de 300 m^{2}/g, que es una de las superficies más elevadas para un compuesto natural.
A su vez, la atapulgita tiene una estructura similar, aunque en este caso la inversión de los tetraedros de sílice se produce cada cuatro tetraedros, en lugar de cada seis como en el caso de la sepiolita. Como consecuencia, los canales zeolíticos que se encuentran en la atapulgita tienen una sección de 3,7 \ring{A} x 6,4 \ring{A}, más pequeña que la de los canales de la sepiolita. Como consecuencia la superficie específica de la atapulgita, aunque alta, es inferior a la de la sepiolita, siendo alrededor de 150 m^{2}/g.
En lo que se refiere al producto inhibidor de fase de vapor impregnado en la arcilla, este puede ser cualquier producto VCI convencional líquido o disuelto en un líquido adecuado. Así el producto VCI puede estar seleccionado entre aminas, sales de amonio y de aminas como por ejemplo son, la diciclohexilamina, el benzoato amónico, el benzoato ciclohexilamonio, sales de amina de ácido sebácico, o triazoles o tiazoles normalmente en disolventes orgánicos como alcoholes o cetonas como por ejemplo el benzotriazol en isopopropanol. Cuando el producto inhibidor de fase de vapor impregnado en la arcilla es una disolución de benzotriazol, el disolvente puede ser isopropanol en la que el benzotriazol está presente entre el 20 y el 60% en peso, convenientemente entre el 30 y el 45% en peso.
El material inhibidor de corrosión anteriormente descrito puede prepararse mediante un proceso simple que comprende añadir el producto inhibidor en estado líquido a la arcilla en una mezcladora rotatoria, como por ejemplo en un tambor rotatorio, hasta que el producto inhibidor está adsorbido sobre la arcilla previamente calcinada. Condiciones de calcinación adecuadas sobre la arcilla son, por ejemplo, calcinaciones en el intervalo de temperaturas comprendidas entre de 300 y 700ºC durante 1 hora.
Se ha podido comprobar que el material inhibidor de la presente invención, especialmente la sepiolita, combina una alta capacidad de adsorción de humedad con a su vez una elevada cinética que le permiten ser un excepcional controlador de humedad. Así, la presente invención permite que, mediante la impregnación de la sepiolita con cantidades pequeñas de VCI, inferiores a las que normalmente se utilizan, se ha conseguido obtener un material que reacciona en función de las condiciones ambientales del medio en las que se encuentra. A altas humedades la sepiolita impregnada con VCI empieza a adsorber la humedad manteniendo la humedad por debajo del umbral de corrosión. Si la exposición a elevadas humedades es prolongada la sepiolita empieza a liberar el VCI impregnado sobre su superficie de forma gradual, estableciéndose un equilibrio entre la cantidad de agua adsorbida y el VCI liberado, de tal forma que mantiene en la atmósfera cantidades de VCI superiores a los que son los mínimos requeridos para cada tipo de VCI para que no se produzca la corrosión. Por el contrario si la humedad del medio esta por debajo del 50% la sepiolita no libera el VCI, siendo este efecto muy importante ya que el producto inhibidor de corrosión VCI solo entra en funcionamiento cuando es realmente necesario. Por otra parte, las cualidades inherentes de la atapulgita permiten un efecto similar aunque no tan pronunciado como el de la sepiolita.
Por lo tanto, queda aparente que la presente invención permite una inhibición de corrosión de metales a base de una combinación sinérgica entre el efecto de la absorción de la humedad ambiental y la liberación controlada, y dinámica del producto inhibidor de corrosión en función de la humedad existente en la atmósfera, y además constituye un material de menor coste con una elevada eficacia inhibidora, que se traduce en un ahorro final muy atrayente.
Breve descripción de las figuras
A continuación, se describirán características de la invención con referencia a unos dibujos que forman parte integrante de la presente memoria descriptiva, en los que
la figura 1 muestra esquemáticamente un dispositivo experimental empleado para verificar los efectos de un material inhibidor según una realización de la presente invención;
la figura 2 muestra, en condiciones experimentales, la evolución de la humedad en presencia de sepiolita impregnada al 10% con diciclohexilamina;
la figura 3 muestra, en condiciones experimentales, la evolución de la humedad en presencia de sepiolita impregnada al 5% con disolución de benzotriazol-isopropanol (45% w de bezotriazol en isopropanol).
En estas figuras, aparecen unas referencias numéricas que denotan los elementos especificados a continuación
1 desecador
1a sensor humedad-temperatura
1b detector de diciclohexilamina
2 conversor
3 aparato registrador (logger)
4 ordenador
Ejemplos Ejemplo 1
Se preparó una muestra de 50kg de un material inhibidor según la presente invención comprendido por 5 kg diciclohexilamina (DCHA) absorbida sobre 9 kg de sepiolita previamente calcinada a 600ºC durante 1 hora. La impregnación se realizó rociando la sepiolita calcinada en un tambor rotatorio con la diciclohexilamina hasta obtener un material en el que la diciclohexilamina quedó homogéneamente impregnada en la sepiolita.
Ejemplo 2
En el dispositivo experimental mostrado en la figura 1, que cuenta con una pluralidad de desecadores 1 con un volumen cada uno de 17,34 l y provisto cada uno de un sensor humedad-temperatura 1a (Picco EL030) y de un detector de diciclohexilamina que transmiten datos a respectivos conversores 2 que a su vez manda la información obtenida en cada desecador, a un aparato registrador (logger) 3 que transmite los datos correspondientes a un ordenador 4 donde quedan almacenados en función, se introdujeron en cada desecador, 0,31 g de la muestra preparada según el ejemplo 1 por litro de aire atmosférico presente en el desecador.
Las muestras se mantuvieron en los desecadores a temperatura ambiente durante 17 días, realizándose medidas de la humedad relativa en ciertos intervalos de tiempo, de acuerdo con lo que puede apreciarse en la figura 2 y en la tabla 1. Asimismo, se midió la concentración de la diciclohexilamina en la atmósfera presente en cada desecador durante aproximadamente 10 días. Los resultados de las mediciones de la concentración de la diciclohexilamina también quedan reflejados en la tabla 1.
TABLA 1
1
Puede observarse que la sepiolita impregnada funciona mediante la combinación de dos efectos. El primero, aparente de la figura 2, está basado en la capacidad de adsorción que presenta la sepiolita sobre la humedad ambiente, consiguiendo disminuirla por debajo del 60%, que es el umbral a partir del cual la corrosión de metales no aparece o su cinética es muy lenta. El segundo efecto corresponde a la desorción de ciclohexilamina al producirse por parte de la sepiolita la captación de humedad tal y como se refleja en la tabla 1. Es importante señalar en este punto, que la cantidad mínima en atmósfera de VCI en ppm según estudios realizados para que no se produzca la corrosión es de 500 ppm, lo cual se consiguió que ocurriera en aproximadamente dos días en las condiciones ensayadas en este ejemplo.
Ejemplo 3
Para valorar el efecto del soporte se comparó la cinética de desorción obtenida con la de evaporación de la DCHA en las condiciones más favorables para la evaporación. Para ello se realizó el siguiente ensayo.
En cuatro de los desecadores del aparato del ejemplo 1 se introdujeron sendos recipientes que contenían DCHA. En cada desecador existía una humedad relativa del 100%. El recipiente que contenía la DCHA era un pequeño cilindro en el que la relación superficie expuesta a la atmósfera / volumen, era muy elevada. El recipiente estaba lleno hasta los bordes para facilitar la evaporación de la DCHA.
Se dejó evolucionar el sistema libremente con el desecador cerrado a una temperatura ambiente. Después de una semana existía una concentración de 154 p.p.m. en el desecador. Esta misma concentración se consigue en 5 horas para el caso de sepiolita impregnada con diciclohexilamina al 10% en concentración 0,31 g de mineral/litro de aire atmosférico. Por tanto se demuestra que el soporte influye favorablemente en la cinética de evaporación.
Este incremento tan rápido de concentración de inhibidor en la atmósfera compensa el retraso en la disminución de la humedad relativa al 60% que para esta concentración "0,31 g/l" no se produce hasta los 10-12 días. Se considera que el que se alcance tan rápidamente el umbral de concentración mínimo que produce inhibición es más favorable que conseguir una reducción en tiempo de 10 días a 6 en cruzar el umbral del 60%.
Con este ejemplo queda demostrado el efecto combinado y el mecanismo de actuación.
Ejemplo 4
A la vista de que la cinética de adsorción de muchos catalizadores se ve afectada por la presencia o ausencia de humedad, se consideró interesante estudiar el comportamiento de la. sepiolita impregnada en condiciones de humedad mucho mas bajas de las ensayadas de acuerdo con los ejemplos precedentes. Por lo tanto, para valorar la influencia de la humedad en el comportamiento del mineral impregnado, se realizaron los dos experimentos siguientes:
1.- Se introdujo 10,0516 g "0,60 g/l" de una muestra preparada de acuerdo con el ejemplo 1, en un desecador con humedad relativa inicial del 30%, se cerró el desecador y se dejó evolucionar a temperatura ambiente el sistema durante dos semanas. Se comprobó que el mineral no desorbía DCHA aunque si aumentaba la masa.
2.- Del mismo modo se introdujeron en otro desecador, en el que existía una humedad relativa del 30%, 5,2305 g "0,31 g/l" de sepiolita impregnada con inhibidor. Se cerró el desecador y se dejó evolucionar el sistema a temperatura ambiente durante una semana.
En este caso en una semana se había alcanzado una concentración de 40 p.p.m. de inhibidor.
Es evidente que para estas concentraciones bajas la sepiolita impregnada con diciclohexilamina prácticamente no desorbe nada. Este comportamiento es muy adecuado porque si la humedad relativa es baja, no se necesita que se desabsorba inhibidor para retrasar la corrosión, por lo que se puede decir que tenemos un material inteligente al actuar solo cuando es necesario.
Ejemplo 5
Se preparó una muestra de 50 kg de un material inhibidor según la presente invención comprendido por sepiolita previamente calcinada a 600ºC durante 1 hora y posterior impregnación de 2.5 Kg de una disolución de benzotriazol en isopropanol (45% w de benzotriazol en isopropanol). La impregnación se realizó rociando la sepiolita calcinada en un tambor rotatorio con la disolución de benzotrialzo-isopropanol hasta obtener un material en el que la disolución quedó homogéneamente impregnada en la sepiolita.
Ejemplo 6
En el dispositivo experimental mostrado el ejemplo 2, se introdujeron en cada desecador, 0,761 g de la muestra preparada según el ejemplo 5 por litro de aire atmosférico presente en el desecador.
Las muestras se mantuvieron en los desecadores a temperatura ambiente durante 17 días, realizándose medidas de la humedad relativa en ciertos intervalos de tiempo, de acuerdo con lo que puede apreciarse en la figura 3. Asimismo, se midió la concentración de la Benzotriazol en la atmósfera presente en cada desecador durante aproximadamente 10 días.
Con la cantidad de sepiolita impregnada empleada se consigue a los 2 días una concentración de 666 p.p.m y una atmósfera de equilibrio de 823 p.p.m. de benzotriazol al cabo de 15 días. El efecto inhibidor para el benzotriazol se logra para una concentración mínima en el aire de 50 a 100 p.p.m, superándose en nuestro caso con creces este valor.

Claims (15)

1. Un material inhibidor de corrosión de metales que comprende al menos un producto inhibidor en fase vapor volátil y un soporte, caracterizado porque
el soporte comprende al menos una arcilla con red de silicato, seleccionada del grupo de los silicatos pseudolaminares; y
el producto inhibidor está impregnado en el soporte.
2. Un material inhibidor de corrosión según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha arcilla en la que está impregnado dicho producto inhibidor está seleccionada entre sepiolita, atapulgita y combinaciones de las mismas.
3. Un material inhibidor de corrosión según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque comprende 1 y 30% en peso referido al peso total de la arcilla, de dicho producto inhibidor.
4. Un material inhibidor de corrosión según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque comprende de 5 a 20% en peso referido al peso total de la arcilla, de dicho producto inhibidor.
5. Un material inhibidor de corrosión según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la arcilla tiene un tamaño de partícula medio de 0,1 a 6 mm.
6. Un material inhibidor de corrosión según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la arcilla tiene un tamaño de partícula medio de 0,25 a 3,5 mm.
7. Un material inhibidor de corrosión según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la arcilla es una arcilla calcinada.
8. Un material inhibidor de corrosión según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la arcilla es una arcilla calcinada a una temperatura entre 200 y 700ºC.
9. Un material inhibidor de corrosión según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la arcilla es una arcilla calcinada a una temperatura entre 300 y 600ºC.
10. Un material inhibidor de corrosión según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado el producto inhibidor de fase de vapor impregnado en la arcilla está seleccionado entre aminas, o sales de amonio y aminas, o triazoles, o tiazoles, o combinación de ellas.
11. Un material inhibidor de corrosión según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado el producto inhibidor de fase de vapor impregnado en la arcilla está seleccionado entre diciclohexilamina y disoluciones de benzotriazol.
12. Un material inhibidor de corrosión según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el producto inhibidor de fase de vapor es una disolución entre 20 y 60% en peso de benzotriazol en un disolvente orgánico.
13. Un material inhibidor de corrosión según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el producto inhibidor de fase de vapor es una disolución entre 30 y 45% en peso de benzotriazol en un disolvente orgánico.
14. Un material inhibidor de corrosión según la reivindicación 12 ó 13, caracterizado porque el disolvente orgánico es isopropanol.
15. Un procedimiento para preparar un material inhibidor de corrosión definido en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque comprende añadir el producto inhibidor en estado líquido a la arcilla en una mezcladora rotatoria hasta que el producto inhibidor está adsorbido sobre la arcilla.
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