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

錆（さび）は、世界の金属インフラから価値を奪い去る、遅くも執拗な泥棒です。鋼鉄が、工業的な洗浄や化学プロセスに見られるような酸性環境にさらされると、金属は急速に溶解し、パイプやタンク、機械類の寿命を縮めます。これを防ぐために、エンジニアはしばしば酸の中に化学的な腐食抑制剤（インヒビター）を加えます。これらは金属の表面を覆い、鋼鉄を侵食していく化学反応を遅らせるバリアとなる物質です。数十年にわたり、これらの抑制剤の多くは合成有機化合物でした。しかし、効果的であるだけでなく、再生可能な資源に由来し、廃棄物を保護的な資源へと変えることができる解決策への関心が高まっています。この変化は、石油化学製品への依存を減らし、本来ならば廃棄されるはずの材料に新たな用途を見出したいという願いによって推進されています。

最近の研究において、研究者たちはこのような保護剤のユニークな供給源として、鶏の羽を探求しました。これらの羽は、家禽産業の膨大な副産物であり、「ケラチン」と呼ばれる強靭なタンパク質に富んでいます。ケラチンは、人間の髪や爪にも存在する同じ構造材料です。研究者たちは、単純な問いを投げかけました。「この廃棄物を、酸に溶かした際に鋼鉄に付着して錆を防ぐバイオプラスチック・フィルムへと変形させることができるだろうか？」彼らは単に羽を原材料として見たのではなく、それらをグリセロールおよびセルロースと混合した特定の複合フィルムへと加工し、その混合物が塩酸溶液中で軟鋼（マイルドスチール）をどの程度保護できるかをテストしました。

チームはまず、ナイジェリアの加工工場から廃棄された羽を収集することから始めました。彼らは羽を徹底的に洗浄して汚れや油分を取り除き、その後、化学的なプロセスを用いてケラチンタンパク質を抽出するために分解しました。この抽出されたタンパク質は、軟化剤として機能するグリセロールと、植物由来の繊維であるマイクロクリスタリン・セルロースと混合され、柔軟なフィルムを作成するために用いられました。このフィルムこそが、彼らが「バイオプラスチック」として意図したものです。その保護能力をテストする前に、研究者たちは様々な科学的ツールを用いて、この材料を詳細に調査しました。彼らは赤外分光法を用いてタンパク質構造の存在を確認し、電子顕微鏡で表面の質感を確認し、熱分析によって熱の下での材料の挙動を理解しました。その結果、材料はフィルムへと加工された後も、元のタンパク質の主要な化学的特徴を保持していることが示されました。

材料の有効性をテストするため、研究者たちは小さな軟鋼の破片を塩酸の浴槽に入れました。彼らは、摂氏30度の穏やかな温度から、より高温の摂氏60度までの異なる温度でテストを行いました。いくつかのテストでは、鋼鉄が自然にどれほど錆びるかを見るための対照群として、酸に何も加えていませんでした。他のテストでは、バイオプラスチックを最大0.8グラム毎リットルの濃度で、さまざまな濃度で添加しました。彼らは主に2つの方法で腐食を測定しました。第一に、酸に浸す前と後の鋼鉄の破片の重量を測定し、金属が正確にどれだけ失われたかを確認しました。第二に、腐食反応によって生じる電流の流れを測定する電気化学的手法を用い、金属が溶解する速度を精密に読み取りました。

結果は、鶏の羽の材料が確かに腐食を遅らせたことを示しました。酸中のバイオプラスチックの濃度が増加するにつれて、鋼鉄が溶解する速度は低下しました。テストされた最高濃度において、材料は腐食率を大幅に減少させました。しかし、その保護は完璧ではなく、その性能は温度によって変化しました。最も低い温度でのテストでは、材料は腐食率を年間37.56ミリメートルから21.79ミリメートルへと減少させ、約42パーセントの抑制効率を示しました。温度が摂氏50度に上がると、材料はさらに効果的になり、54パーセントのピーク効率に達しました。しかし、温度が摂氏60度まで上昇すると、保護効果は低下し、約32パーセントまで落ち込みました。このことは、この材料がうまく機能する一方で、熱によって最終的に安定性が損なわれるか、あるいは付着力が弱まることを示唆しています。

研究者たちはまた、材料が鋼鉄の表面とどのように相互作用するかについても調査しました。データを分析することで、彼らはこのバイオプラスチックが「混合型」の抑制剤として機能していることを見出しました。これは、この物質が金属から電子を放出させる化学反応と、電子を消費させる化学反応のどちらか一方の側面だけをブロックするのではなく、両方のプロセスを遅らせることを意味します。データは、他のモデルよりも「ラングミュア・モデル」と呼ばれる数学的モデルによく適合しました。これは、バイオプラスチックの分子が鋼鉄の表面に単層として広がり、通常錆が発生する箇所を覆っていることを示唆しています。しかし、著者らは、このバイオプラスチックは単一の純粋な化学物質ではなく、異なるタンパク質や繊維の複雑な混合物であるため、このモデルは近似であることを注意深く述べています。それは挙動をよく説明していますが、すべての分子が表面上でどのように配置されているかを正確に証明するものではありません。

研究は、廃棄された鶏の羽をバイオプラスチックに転換することが、腐食抑制剤を作るための実行可能な方法であると結論付けました。この材料は、酸性条件下における軟鋼の腐食を効果的に抑制することに成功し、家禽の廃棄物が機能的な工業製品へと変貌を遂げられることを証明しました。研究者たちは、結果は有望であるものの、この材料は「奇跡の治療薬」ではないことを強調しました。その有効性は、使用される濃度と環境の温度に大きく依存します。高温では保護効果が弱まることから、この材料はさらなる改良なしには、非常に高温の工業プロセスには適さない可能性があることが示されています。この研究は、一般的な廃棄物を金属を保護するための有用な道具へと変える実用的な手法を示すものであり、生物学的な材料がいかにして将来、工業用途において合成化学薬品に取って代わる可能性があるかという展望を提示しています。