การป้องกันการผุกร่อน (การเกิดสนิม) ของโลหะ

การเกิดสนิมเป็นปฏิกิริยาที่พบเห็นได้ง่ายๆ กับสิ่งก่อสร้างต่าง ๆ ที่มีเหล็กเป็นองค์ประกอบ แต่เป็นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นอย่างช้าๆ อาจจะกินเวลายาวนาน เกิดขึ้นเมื่อมีเหล็กสัมผัสกับน้ำและความชื้น โดยจะค่อย ๆ สึกกร่อน เมื่อเกิดการผุกร่อน นอกจากจะทำให้วัสดุอุปกรณ์นั้นไม่สวยงามแล้ว ถ้าอุปกรณ์เหล่านี้เป็นส่วนประกอบหลักที่ต้องการความแข็งแรง เช่น โครงหลังคาบ้าน หากเกิดการกัดกร่อนก็จะยิ่งเป็นอันตราย ดังนั้นเราจึงควรเรียนรู้เกี่ยวกับการกัดกร่อนของโลหะไว้เพื่อจะได้หาทางป้องกันต่อไป

สาเหตุของการกัดกร่อนของโลหะหรือปัจจัยที่ทำให้เกิดการกัดกร่อนของโลหะซึ่งมีหลายประการ เช่น

• การทำปฏิกิริยากับน้ำและแก๊สออกซิเจน
• การทำปฏิกิริยากับแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์หรือกรด
• การทำปฏิกิริยากับไอเกลือเข้มข้น เช่น บริเวณใกล้ทะเล
• สัมผัสกับโลหะที่มีศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์สูงกว่า

วิธีป้องกันการเกิดสนิมหรือการกัดกร่อนของเหล็ก

การเคลือบผิว (surface coating) ไม่ให้เหล็กสัมผัสกับน้ำและแก๊สออกซิเจนหรืออากาศ ซึ่งอาจทำได้หลายๆ วิธีเช่น 

• เคลือบผิวเหล็กด้วยน้ำมัน
•  ทาสีที่ผิวเหล็ก
• เคลือบผิวเหล็กด้วยพลาสติก

วิธีเหล่านี้เป็นแบบป้องกันโดยตรง ไม่ให้ผิวเหล็กสัมผัสกับน้ำและออกซิเจนซึ่งค่อนข้างสะดวกและให้ผลดี

ที่มา : http://www.promma.ac.th/main/chemistry/web_electrochemistry/new_page_27.htm

วิธีแคโทดิก (Cathodic Protection)      

เป็นที่ทราบแล้วว่า โลหะเกิดการผุกร่อนจากการเกิดปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี โดยโลหะจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน ซึ่งมีปฏิกิริยาเกิดขึ้นเช่นเดียวกับแอโนดในเซลล์กัลวานิกหรือเซลล์อิเล็กโทรไลต์ ดังนั้นถ้าไม่ต้องการให้เกิดการผุกร่อนจึงต้องให้โลหะนั้นมีสภาวะเป็นแคโทดหรือคล้ายกับแคโทด โดยใช้โลหะที่เสียอิเล็กตรอนได้ง่ายกว่าเหล็ก (มีค่าศักย์ไฟฟ้าครึ่งเซลล์ (E^o) น้อยกว่าเหล็ก) ไปพันหรือต่อกับเหล็ก ซึ่งจะทำให้โลหะนั้นกัดกร่อนแทนเหล็ก เช่น การเชื่อมต่อแมกนีเซียมตามท่อ หรือตามโครงเรือ จะทำให้เหล็กผุกร่อนช้าลง เนื่องจากแมกนีเซียมเสียอิเล็กตรอนง่ายกว่าเหล็ก จะเสียอิเล็กตรอนแทน เปรียบเสมือนกับให้แมกนีเซียมเป็นแอโนด และให้เหล็กเป็นแคโทด จึงเรียกวิธีนี้ว่า “วิธีแคโทดิก (Cathodic Protection)”

ที่มา : http://www.il.mahidol.ac.th/e-media/electrochemistry/web/electrochem04.htm

ทำเหล็กให้เป็นขั้วลบ โดยต่อเข้ากับขั้วลบของแบตเตอรี่หรือแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง

การชุบเคลือบผิวเหล็กด้วยโลหะ (Electroplating) 

คือ กระบวนการผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปในสารละลายเกลือของโลหะ (Metallic salts) แล้วทำให้ไอออนบวกวิ่งมารับประจุไฟฟ้าลบที่ชิ้นงาน ซึ่งทำหน้าที่เป็นขั้วลบ (Cathode) จึงทำให้เกิดเป็นชั้นผิวบางของโลหะมาเคลือบอยู่บนผิวด้านนอกของชิ้นงาน เช่น การชุบทองแดง นิกเกิล โครเมียม ใช้หลักการของเซลล์อิเล็กโทรไลติก (Electrolytic cell)

การเคลือบผิวช้อนด้วยโลหะเงิน
ที่มา : http://picshype.com/zinc-electroplating-diagram/electroplating-process-for/26489

การเคลือบผิวเหล็กด้วยโลหะที่หลอมเหลว

โดยนำเหล็กจุ่มลงในโลหะที่ใช้เคลือบซึ่งทำให้ร้อนจนหลอมเหลว แล้วนำเหล็กจุ่มลงไปเพื่อให้เกาะที่ผิวของเหล็ก เช่น นำแผ่นเหล็กจุ่มลงในสังกะสีที่หลอมเหลว สังกะสีจะเกาะที่ผิวเหล็กป้องกันไม่ให้เกิดสนิมได้

การป้องกันการเกิดสนิมเหล็กโดยวิธีอะโนไดซ์ (Anodization)

วิธีอะโนไดซ์ คือ กระบวนการป้องกันการผุกร่อนของโลหะ โดยอาศัยหลักการอิเล็กโทรลิซิส เป็นการเคลือบผิวโลหะด้วยโลหะออกไซด์ที่สลายตัวยาก ทำให้เกิดออกไซด์ของโลหะบางชนิด เช่น อะลูมิเนียม โครเมียม ดีบุก สังกะสี โลหะเหล่านี้ มีค่า E^๐ ต่ำ สูญเสียอิเล็กตรอนง่าย เมื่อทำปฏิกิริยากับแก๊สออกซิเจนในอากาศจะเกิดออกไซด์ของโลหะซึ่งมีความสเถียรและไม่ละลายน้ำเคลือบบนผิวของโลหะนั้นและจับผิวแน่น ทำให้ผิวด้านในไม่สัมผัสกับน้ำและแก๊สออกซิเจน จึงช่วยป้องกันการผุกร่อนได้ การเกิดออกไซด์สามารถเกิดได้เองตามธรรมชาติแต่เป็นไปอย่างไม่สม่ำเสมอ ดังนั้นในทางอุตสาหกรรมจึงใช้วิธีอะโนไดซ์ซึ่งเป็นวิธีทำให้พื้นผิวโลหะเกิดออกไซด์อย่างสม่ำเสมอ

ที่มา : http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=anodizing

การรมดำโลหะเหล็ก (Metal Blackening)

วิธการรมดำ เป็นการทำให้เกิดปฏิกิริยารีดอกซ์ เป็นกระบวนการการป้องกันการผุกร่อนของโลหะทางเคมีชนิดหนึ่ง โดยใช้สารเคมีและให้ความร้อนจากภายนอกเข้าไปเท่านั้นทำให้เกิดออกไซด์สีดำติดแน่นอยู่บนผิวชิ้นงานโลหะโดยสีดำที่เกิดขึ้นจะมีความเข้มของสีที่แตกต่างกันไป คือสีดำ สีดำแกมน้ำเงิน หรือสีน้ำเงินเข้ม ซึ่งขึ้นอยู่กับกรรมวิธีและสารเคมีที่ใช้ เมื่อโลหะผ่านการรมดำ โลหะจะไม่เกิดสนิมหรือผุกร่อน  จึงช่วยป้องกันการผุกร่อนของเหล็กได้ โลหะที่นิยมนำมารมดำได้แก่ เหล็ก ทองแดง ทองเหลือง อะลูมิเนียม เงินและสแตนเลส

การรมดำ

ที่มา : http://www.platingfinishing.com/metal-blackening-services-1710821.html

การป้องกันการกัดกร่อนของโลหะในระบบหล่อเย็นแบบปิด

เครื่องยนต์ที่ใช้ในรถยนต์หรือเครื่องมือผลิตกระแสไฟฟ้าจะใช้ระบบหล่อเย็นแบบปิดเพื่่อรักษาอุณหภูมิของเครื่องยนต์ไม่ให้สูงมากเกินไป สารหล่อเย็นที่ใช้คือน้ำซึ่งมีออกซิเจนละลายอยู่ ถ้าเครื่องยนต์มีโลหะผสมของอะลูมิเนียม ออกซิเจนที่ละลายอยู่ในน้ำจะถูกใช้ในการสร้างฟิล์มอะลูมิเนียมออกไซด์ และฟิล์มนี้จะป้องกันการผุกร่อนเครื่องยนต์ได้ แต่ถ้าเครื่องยนต์มีส่วนประกอบที่เป็นโลหะผสมของเหล็ก ส่วนประกอบของเครื่องยนต์ที่สัมผัสกับน้ำจะเกิดการผุกร่อนได้ เนื่องจากออกไซด์ของเหล็กไม่มีสมบัติในการเป็นสารเคลือบผิว จึงต้องเติมสารยับยั้งการกัดกร่อนซึ่งประกอบด้วยสารประกอบของไนไตรต์โบแรกซ์ สารนี้จะทำให้น้ำในระบบหล่อเย็นมี pH สูงกว่า 8.5 และทำให้โลหะที่เป็นส่วนประกอบของเครื่องยนต์เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันได้ยาก การผุกร่อนของโลหะจึงลดลง นอกจากนี้การใช้ระบบปิดมีผลดีอีกประการหนึ่งคือเป็นการจำกัดปริมาณของออกซิเจนที่ละลายลงไปในน้ำจึงทำให้การผุกร่อนของโลหะลดลง

 

ที่มา : http://www.judybrown.co.uk/digital_art_gallery1/8_dog_in_car_cartoon.html

การผุกร่อนของโลหะหรือการเกิดสนิมเป็นกระบวนการทางไฟฟ้าเคมี สนิมเป็นโลหะส่วนที่มีการเปลี่ยนสภาพไปจากเดิม เป็นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นอย่างช้าๆ อาจจะกินเวลายาวนาน เนื่องจากเกิดปฏิกิริยาเคมีที่มีอากาศ น้ำ หรือความร้อนเป็นตัวการสำคัญทำให้โลหะมีคุณสมบัติแตกต่างไปจากเดิม โดยโลหะจะค่อย ๆ สึกกร่อน กลายเป็นเหล็กออกไซด์ ส่วนวิธีการป้องกันไม่ให้โลหะเกิดการผุกร่อนหรือเกิดสนิมขึ้นมีหลายวิธี เราจะเลือกใช้วิธีใดนั้นขึ้นอยู่กับชนิดของโลหะ ค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานครึ่งเซลล์ของโลหะ การทำปฏิกิริยากับน้ำและอากาศ หรือความสะดวกในการเลือกใช้วิธีนั้นๆ

ที่มาข้อมูล : 

• เทพจำนงค์ แสงสุนทร. (ม.ป.ป.).ไฟฟ้าเคมี ตอนการผุกร่อนของโลหะและการป้องกัน.สืบค้นเมื่อ 14 ธันวาคม, 2559, จาก phukhieo.ac.th/obec-media/2555/manual/%A4%D9%E8%C1%D7%CD%E0%A4%C1%D5/52_%A1%D2%C3%BC%D8%A1%C3%E8%CD%B9%A2%CD%A7%E2%C5%CB%D0%E1%C5%D0%A1%D2%C3%BB%E9%CD%A7%A1%D1%B9.pdf