Interfacial Corrosion Protection of ST37 Steel by Borassus flabellifer Husk Extract in 1 M HCl: Effect of Inhibitor Concentration

Nel mondo industriale, l'acciaio è lo scheletro della vita moderna, poiché forma di tutto, dai grattacieli alle navi. Tuttavia, per rendere questo metallo utile, i produttori devono spesso rimuovere la ruggine e la scaglia, un processo chiamato decapaggio, che consiste nell'immergere l'acciaio in acidi forti come l'acido cloridrico. Sebbene questo acido sia eccellente nel pulire la superficie, è indiscriminato; una volta rimossa la sporcizia, l'acido inizia a corrodere l'acciaio stesso, facendolo dissolvere e indebolire. Per fermare questo processo, gli ingegneri aggiungono inibitori della corrosione, sostanze che rivestono il metallo e agiscono come uno scudo. Per decenni, questi scudi sono stati realizzati con prodotti chimici sintetici che funzionano bene ma possono essere tossici e dannosi per l'ambiente. Ciò ha spinto gli scienziati a guardare verso la natura alla ricerca di alternative, cercando estratti vegetali che possano offrire protezione senza il costo ecologico. La domanda non è solo se una pianta possa fermare la ruggine, ma come la quantità di quel materiale vegetale cambi la sua capacità di proteggere il metallo, e se esista un punto specifico in cui aggiungerne di più diventi meno efficace.

Un team di ricercatori provenienti dall'Indonesia e dal Giappone si è posto l'obiettivo di rispondere a queste domande utilizzando il guscio del Borassus flabellifer, un tipo di frutto di palma comunemente presente nelle regioni tropicali. Si sono concentrati sull'acciaio ST37, un acciaio strutturale standard, e hanno testato le prestazioni di un estratto del guscio fibroso esterno della palma in una soluzione di acido cloridrico un-molare. I ricercatori non si sono limitati a indovinare la giusta quantità da utilizzare; al contrario, hanno testato sistematicamente l'estratto a cinque diverse concentrazioni, da 50 parti per milione fino a 250 parti per milione. Immergendo campioni di acciaio in queste soluzioni, hanno potuto misurare esattamente quanto metallo fosse stato perso nel tempo e osservare i cambiamenti chimici che avvenivano sulla superficie. Il loro obiettivo era trovare la concentrazione precisa in cui l'estratto vegetale offrisse la difesa più forte contro l'acido e comprendere il meccanismo fisico alla base di tale protezione.

I risultati hanno rivelato un modello chiaro e piuttosto sorprendente. L'estratto non funzionava meglio semplicemente perché ce n'era di più. Al contrario, la protezione ha raggiunto il picco a una concentrazione specifica di 100 parti per milione. A questo livello, l'estratto ha ridotto la perdita di peso dell'acciaio di quasi l'88 percento rispetto ai campioni non protetti. Quando i ricercatori hanno esaminato la velocità con cui l'acciaio si corrodeva, hanno scoperto che il tasso è sceso da 5,62 millimetri all'anno a soli 1,43 millimetri all'anno alla concentrazione ottimale. Tuttavia, quando hanno aumentato la quantità di estratto oltre questo punto, la protezione è effettivamente diminuita. A 150, 200 e 250 parti per milione, l'acciaio ha subito una corrosione maggiore rispetto al segno delle 100 parti per milione. Ciò suggerisce che esiste un limite a come le molecole dell'estratto possono disporsi sulla superficie del metallo, e che affollare la superficie con troppe molecole potrebbe in realtà disturbare lo strato protettivo.

Per capire perché ciò sia accaduto, il team ha esaminato l'acciaio sotto potenti microscopi e ha analizzato i segnali chimici provenienti dalla superficie. Hanno scoperto che alla concentrazione ottimale, la superficie dell'acciaio rimaneva straordinariamente liscia e intatta, coperta da uno strato uniforme di estratto vegetale. Al contrario, l'acciaio non protetto è diventato ruvido e butterato, con valli profonde e picchi frastagliati dove l'acido aveva mangiato il metallo. L'analisi chimica ha mostrato che l'estratto contiene composti ricchi di ossigeno e strutture aromatiche, probabilmente derivate da sostanze naturali come flavonoidi e tannini presenti nella pianta. Queste molecole sembrano aderire all'acciaio, formando una barriera che impedisce all'acido di raggiungere il metallo. I ricercatori hanno osservato che questa barriera funziona rallentando sia il rilascio di ioni di ferro dal metallo sia la generazione di idrogeno gassoso, mettendo di fatto un freno al processo di corrosione da entrambi i lati.

Lo studio ha anche esaminato come le molecole dell'estratto interagiscono con la superficie dell'acciaio, testando se si distribuiscono in un singolo strato ordinato o se si ammassano in un cumulo disordinato. I dati si adattavano meglio a un modello che descrive un singolo strato uniforme di molecole che copre la superficie, proprio come un sottile film d'olio che si diffonde sull'acqua. Tuttavia, i ricercatori hanno notato che, sebbene questo modello descrivesse bene la copertura, non potevano calcolare completamente l'energia che tiene in posizione le molecole a causa di una specifica irregolarità matematica nei loro dati. Nonostante questa limitazione, l'evidenza fisica era coerente: l'estratto formava un film protettivo che riduceva significativamente la rugosità superficiale. Le superfici più lisce sono state trovate alla concentrazione di 100 parti per milione, dove l'altezza media dei picchi e delle valli superficiali è stata ridotta di oltre la metà rispetto all'acciaio danneggiato e non protetto.

In definitiva, il lavoro dimostra che il guscio del Borassus flabellifer è una potente fonte di protezione naturale contro la corrosione, ma la sua efficacia è altamente sensibile alla quantità utilizzata. I ricercatori hanno concluso che l'estratto funziona per adsorbimento sull'acciaio, creando uno scudo che impedisce all'acido di attaccare il metallo. Sebbene concentrazioni più elevate possano sembrare offrire una protezione migliore, lo studio ha mostrato che esiste un punto ottimale in cui lo scudo è più completo. Oltre quel punto, lo strato protettivo diventa meno efficace, forse perché le molecole interferiscono tra loro. Questo risultato evidenzia l'importanza della precisione nell'uso degli inibitori naturali; non si tratta di "più è meglio", ma della necessità di trovare l'esatto equilibrio in cui la chimica naturale della pianta può difendere al meglio il metallo.