Chicken Feather-Derived Keratin-Based Bioplastic as a Corrosion Inhibitor for Mild Steel in 0.1 M HCl: Electrochemical, Gravimetric and Adsorption Studies

Rost ist ein langsamer, unerbittlicher Dieb, der den Wert der Metallinfrastruktur der Welt stiehlt. Wenn Stahl säurehaltigen Umgebungen ausgesetzt ist, wie sie etwa bei der industriellen Reinigung oder in der chemischen Verarbeitung vorkommen, löst sich das Metall schnell auf, was die Lebensdauer von Rohren, Tanks und Maschinen verkürzt. Um dies zu verhindern, geben Ingenieure oft chemische Inhibitoren zur Säure hinzu. Dies sind Substanzen, die die Metalloberfläche beschichten und eine Barriere bilden, die die chemische Reaktion, die den Stahl zerfrisst, verlangsamt. Seit Jahrzehnten sind viele dieser Inhibitoren synthetische organische Verbindungen. Es gibt jedoch ein wachsendes Interesse daran, Lösungen zu finden, die nicht nur effektiv, sondern auch aus erneuerbaren Quellen gewonnen werden – indem Abfall in eine schützende Ressource verwandelt wird. Dieser Wandel wird durch den Wunsch vorangetrieben, die Abhängigkeit von Petrochemikalien zu verringern und neue Verwendungszwecke für Materialien zu finden, die ansonsten entsorgt würden.

In einer kürzlich durchgeführten Studie untersuchten Forscher eine einzigartige Quelle für einen solchen Schutzstoff: Hühnerfedern. Diese Federn, die ein massives Nebenprodukt der Geflügelindustrie sind, sind reich an einem zähen Protein namens Keratin. Keratin ist dasselbe Strukturmaterial, das auch in menschlichem Haar und Fingernägelen vorkommt. Die Forscher stellten eine einfache Frage: Könnten sie dieses Abfallmaterial in einen Biokunststofffilm verwandeln, der sich beim Auflösen in Säure an Stahl haftet und so den Rost verhindert? Sie betrachteten die Federn nicht nur als Rohmaterial, sondern verarbeiteten sie zu einem spezifischen Kompositfilm, der mit Glycerin und Cellulose gemischt wurde, um zu testen, wie gut diese Mischung unlegierten Stahl in einer Salzsäurelösung schützte.

Das Team begann damit, Abfallfedern von einem Verarbeitungsbetrieb in Nigeria zu sammeln. Sie reinigten die Federn gründlich, entfernten Schmutz und Öle und brachten sie dann durch einen chemischen Prozess auf, um das Keratinprotein zu extrahieren. Das extrahierte Protein wurde dann mit Glycerin, das als Weichmacher dient, und mikrokristalliner Cellulose, einer pflanzlichen Faser, gemischt, um einen flexiblen Film zu erzeugen. Dieser Film war der „Biokunststoff“, den sie verwenden wollten. Vor dem Test seiner Schutzwirkung untersuchten die Forscher das Material genau mit verschiedenen wissenschaftlichen Instrumenten. Sie verwendeten Infrarotspektroskopie, um das Vorhandensein von Proteinstrukturen zu bestätigen, Elektronenmikroskopie, um die Oberflächenbeschaffenheit zu sehen, und thermische Analyse, um zu verstehen, wie sich das Material unter Hitze verhält. Die Ergebnisse zeigten, dass das Material die wesentlichen chemischen Merkmale des ursprünglichen Proteins beibehielt, selbst nachdem es in einen Film umgewandelt worden war.

Um die Wirksamkeit des Materials zu testen, platzierten die Forscher kleine Stücke unlegierten Stahls in ein Bad aus Salzsäure. Sie führten diese Tests bei verschiedenen Temperaturen durch, die von milden 30 Grad Celsius bis hin zu heißen 60 Grad Celsius reichten. In einigen Tests gaben sie nichts zur Säure hinzu, was als Kontrolle diente, um zu sehen, wie schnell der Stahl von selbst rosten würde. In anderen Tests fügten sie den auf Keratin basierenden Biokunststoff in variierenden Konzentrationen hinzu, bis zu 0,8 Gramm pro Liter. Sie maßen die Korrosion auf zwei Hauptarten: Erstens wogen sie die Stahlstücke vor und nach dem Einweichen in der Säure, um genau zu bestimmen, wie viel Metall verloren gegangen war. Zweitens verwendeten sie eine elektrochemische Methode, die den Fluss des elektrischen Stroms misst, der durch die Korrosionsreaktion verursacht wird, um eine präzise Messung der Geschwindigkeit zu erhalten, mit der das Metall zu jedem gegebenen Zeitpunkt aufgelöst wird.

Die Ergebnisse zeigten, dass das Material aus Hühnerfedern die Korrosion tatsächlich verlangsamte. Mit zunehmender Konzentration des Biokunststoffs in der Säure sank die Rate, mit der sich der Stahl auflöste. Bei der höchsten getesteten Konzentration reduzierte das Material die Korrosionsrate signifikant. Der Schutz war jedoch nicht perfekt, und seine Leistung änderte sich mit der Temperatur. Bei der niedrigsten getesteten Temperatur reduzierte das Material die Korrosionsrate von 37,56 Millimetern pro Jahr auf 21,79 Millimeter pro Jahr, was einer Hemmeffizienz von etwa 42 Prozent entspricht. Als die Temperatur auf 50 Grad Celsius stieg, wurde das Material noch effektiver und erreichte eine Spitzenleistung von 54 Prozent. Doch als die Temperatur weiter auf 60 Grad Celsius kletterte, sank der Schutz wieder ab und fiel auf etwa 32 Prozent zurück. Dies deutet darauf hin, dass das Material zwar gut funktioniert, die Hitze aber schließlich dazu führt, dass es weniger stabil oder weniger effektiv beim Anhaften an das Metall wird.

Die Forscher untersuchten auch, wie das Material mit der Stahloberfläche interagierte. Durch die Analyse der Daten fanden sie heraus, dass der Biokunststoff als „gemischter Typ“-Inhibitor wirkte. Das bedeutet, dass er sowohl die chemischen Reaktionen verlangsamte, die Elektronen aus dem Metall freisetzen, als auch die Reaktionen, die diese Elektronen verbrauchen, anstatt nur eine Seite des Prozesses zu blockieren. Die Daten passten besser zu einem mathematischen Modell, das als Langmuir-Modell bekannt ist, als zu anderen Modellen, was darauf hindeutet, dass sich die Moleküle des Biokunststoffs in einer einzelnen Schicht über die Stahloberfläche ausbreiten und die Stellen abdecken, an denen normalerweise Rost entstehen würde. Die Autoren merkten jedoch vorsichtig an, dass, da der Biokunststoff ein komplexes Gemisch aus verschiedenen Proteinen und Fasern ist und nicht eine einzige reine Chemikalie, dieses Modell eine Annäherung darstellt. Es beschreibt das Verhalten gut, beweist aber nicht exakt, wie jedes einzelne Molekül auf der Oberfläche angeordnet ist.

Die Studie kam zu dem Schluss, dass die Umwandlung von Abfall-Hühnerfedern in einen Biokunststoff ein gangbarer Weg ist, um einen Korrosionsinhibitor zu erzeugen. Das Material konnte die Korrosion von unlegiertem Stahl unter sauren Bedingungen erfolgreich verlangsamen und bewies damit, dass Geflügelabfälle in ein funktionales Industrieprodukt verwandelt werden können. Die Forscher betonten, dass die Ergebnisse zwar vielversprechend sind, das Material aber kein Wunderheilmittel ist. Seine Wirksamkeit hängt stark von der verwendeten Konzentration und der Temperatur der Umgebung ab. Bei höheren Temperaturen nimmt der Schutz ab, was darauf hindeutet, dass das Material ohne weitere Modifikation möglicherweise nicht für sehr heiße industrielle Prozesse geeignet ist. Die Arbeit steht als Demonstration einer praktischen Methode, ein gängiges Abfallprodukt in ein nützliches Werkzeug zum Schutz von Metall zu verwandeln, und bietet einen Ausblick darauf, wie biologische Materialien eines Tages synthetische Chemikalien in industriellen Anwendungen ersetzen könnten.