Дождевые капли могут повреждать защитные покрытия металлов даже без кислот и загрязнений
Дождь способен способствовать коррозии металлических поверхностей не только из-за растворённых в воде солей, кислот и загрязняющих веществ. Учёные из Института исследований полимеров Общества Макса Планка обнаружили ещё один механизм: капли воды могут приобретать небольшой электрический заряд при движении по поверхности, а затем повреждать защитное покрытие металла.
Исследователи показали, что электрически заряженные капли способны постепенно разрушать даже химически стойкое покрытие. После его повреждения вода получает доступ к находящемуся под ним металлу, где уже может начаться коррозия.
Такой механизм потенциально имеет значение для автомобилей, мостов, кораблей и других металлических конструкций, регулярно подвергающихся воздействию дождя и движущейся воды.
Когда капля скользит по поверхности — например, по листу растения, стеклу или другому материалу, — между водой и поверхностью может происходить перенос электрического заряда. В результате капля приобретает заряд одного знака, а на поверхности остаётся противоположный.
Этот процесс связан с контактной электризацией и напоминает образование статического электричества при трении воздушного шарика о волосы. Само явление известно давно, однако его возможное влияние на разрушение защитных покрытий металлов оставалось малоизученным.
Чтобы проверить эффект отдельно от химического воздействия примесей, исследователи использовали капли воды объёмом 35 микролитров — сопоставимые по размеру с крупными дождевыми каплями.
Воду пропускали по четырём различным поверхностям: листу растения, вспененному поливинилхлориду, полистиролу и водоотталкивающему покрытию на основе перфтороктадецилтрихлорсилана. После этого капли попадали на медную пластину с тефлоновым покрытием, установленную под углом 50 градусов.
Тефлон выбрали из-за его высокой химической стойкости, что позволяло лучше отделить электрический механизм повреждения от обычного химического воздействия воды.
Во время движения каждая капля приобретала электрический заряд примерно от 0,2 до 2 нанокулонов.
После воздействия примерно 3000 заряженных капель исследователи обнаружили разрушение тефлонового покрытия, после чего находившаяся под ним медь начала подвергаться коррозии. Авторы сравнивают такое количество капель с воздействием примерно одного дождливого дня.
Ключевым оказался контрольный эксперимент. Когда учёные повторили испытание с электрически нейтральными каплями, повреждений не обнаружили: тефлоновое покрытие сохранилось, а находившаяся под ним медь не начала корродировать.
Таким образом, причиной разрушения в эксперименте оказалась не химическая агрессивность воды сама по себе, а электрический заряд капель.
Полученные результаты показывают, что при оценке долговечности защитных покрытий необходимо учитывать не только влажность, кислотность воды и содержащиеся в ней вещества. Значение может иметь и электризация воды при её движении по поверхности.
Это не означает, что обычный дождь быстро разрушит лакокрасочное покрытие автомобиля. Реальные поверхности отличаются от лабораторной системы, а скорость коррозии зависит от множества факторов. Однако обнаруженный механизм показывает, что движущаяся вода потенциально может вносить дополнительный вклад в постепенное разрушение защитных слоёв.
Исследователи считают, что результаты работы могут помочь при создании более устойчивых покрытий для автомобилей, судов, мостов и других конструкций. Предварительные данные указывают на то, что увеличение толщины защитного слоя может повысить его устойчивость к такому воздействию.
Теперь учёным предстоит определить, насколько значителен обнаруженный механизм в реальных условиях и какие материалы лучше всего способны противостоять повреждениям, вызываемым электрически заряженными каплями воды.
Исследование в журнале Nature.