The Investigation of the Corrosion Protective -properties of Reinforced Epoxy Resin With Clay Nanoparticles on Mild Steel

技術要約：粘土ナノ粒子で強化されたエポキシ樹脂による軟鋼の防食特性の調査

問題提起
腐食は、石油、海洋、建設、自動車製造などの産業において、持続的かつ経済的に重大な課題となっている。コスト対強度比の観点から広く使用されている軟鋼は、水分、酸素、および攻撃的な化学種を含む環境、特に酸性媒体において、劣化しやすい特性を持つ。従来のエポキシコーティングは強力な密着性と耐薬品性を提供するものの、完全に不浸透であるわけではなく、水やイオンの緩やかな浸透を許容するため、ブローター（膨れ）、剥離、および基材の破壊を引き起こす。本研究は、過酷な工業環境において、防食性と機械的耐久性の両方を向上させる保護バリアの改善の必要性に取り組むものである。

手法
本研究は、軟鋼基材に対する粘土ナノ粒子強化エポキシコーティングの開発および最適化に焦点を当てた。実験的アプローチには以下が含まれる：

• 材料および合成： 天然粘土を現地で調達し、精製、乾燥、およびマイクロからナノスケールへの機械的粉砕を行った。これらのナノ粒子を、異なる充填量（0–5 wt.%）で二成分系エポキシ樹脂システムに組み込んだ。
• 実験計画： MINITAB-17ソフトウェアを用い、応答曲面法（RSM）の枠組みにおける中心複合設計（CCD）を採用した。この設計では、3つの変数、すなわち粘土ナノ粒子の充填量（% wt）、塩酸（HCl）濃度（0.5–2.5 M）、および曝露期間（15–30日）の影響を調査した。モデル化と性能最適化のために、20回の実験ランを実施した。
• 特性評価および試験：
  • 電気化学的分析： 電気化学インピーダンス分光法（EIS）およびポテンショダイナミック分極法を用い、分極抵抗（$R_p$）、腐食電流密度、および電荷移動抵抗を決定した。
  • 機械的試験： 付着性はASTM D3359クロスカットテープ試験を用いて評価し、硬度はロックウェル硬さ（HRC）試験によって測定した。
  • 形態学的分析： 走査電子顕微鏡（SEM）およびエネルギー分散型X線分光法（EDX）を利用して、基材組成、粘土ナノ粒子の形態、および腐食後のコーティングの完全性を分析した。

主な結果

• 電気化学的性能： 粘土ナノ粒子の混入により、腐食抵抗性が大幅に向上した。未強化のエポキシコーティングは210–234 $\Omega$の分極抵抗（$R_p$）値を示したが、粘土強化サンプルは最大540 $\Omega$の値を示した。統計解析により、粘土の充填量が腐食抵抗に影響を与える最も重要な要因であることが確認された（$p < 0.05$）。
• 最適化： RSMモデルは、0.5 M HCl中で約3.48 wt.%の粘土ナノ粒子を含む最適組成を予測し、546.76 $\Omega$の予測$R_p$値を与えた。この最適化された組成の実験的検証により、さらに高い591.4 $\Omega$の$R_p$が得られ、モデルの信頼性が確認された。
• 機械的特性： 最適化された粘土強化コーティングは、市販のベンチマーク（SikaflexおよびHinaz）と比較して優れた機械的性能を示した。本剤は、市販コーティングの1B（35–65%の除去）に対し、3B（5–15%の除去）の付着評価を得た。さらに、最適化されたコーティングは85.9 HRCという最高のロックウェル硬度を記録し、Sikaflex（72.75 HRC）およびHinaz（78.25 HRC）を上回った。
• 形態： SEM観察は、コーティングの完全性の向上と効果的なナノ粒子の分散を示しており、これが腐食性種の拡散を阻害する屈曲した経路（tortuous path）の形成に寄与した。

意義および主張
本論文は、最適化された粘土強化エポキシコーティングが、攻撃的な工業環境における軟鋼を保護するための、費用対効果が高く持続可能な解決策を提供すると主張している。本研究は、粘土ナノ粒子の戦略的な混入が、電気化学的安定性と腐食抵抗を大幅に向上させるだけでなく、付着性や硬さといった機械的特性をも向上させることを実証している。充填量を最適化するために応答曲面法を用いることの妥当性を検証することで、本研究は、従来のエポキシシステムの限界を緩和する高性能ナノコンポジットコーティングを開発するための信頼できる枠組みを提供する。著者らは、これらの知見が持続可能な腐食保護における研究の空白を埋め、次世代の保護技術のための実行可能な代替案を提供するものであると結論付けている。