Keinopatina sinkkipinnoille ympäristö­ystävällisesti hiilidioksidilla ja vedellä

Diplomi-insinööri Aaretti ­Kaleva esittää väitöskirjassaan hiilidioksidia (CO2) hyödyntävän valmistusmenetelmän, joka voisi vähentää vaarallisten kemikaalien käyttöä teollisissa sinkkiprosesseissa. Keinopatinamenetelmä jäljittelee luonnollisen sinkkipatinan muodostumista, joka tapahtuu spontaanisti ulko-olosuhteissa, mutta keinopatinamenetelmällä voidaan muodostaa hyvin määriteltyjä ja kontrolloituja rakenteita. Lisäksi menetelmällä voidaan vähentää patinan muodostumisaikaa vuosista tunteihin.

Keinopatinaa voitaisiin hyödyntää galvanointiteollisuudessa esikäsittelynä. Sen avulla voidaan myös vähentää haitallisten kemikaalien käyttöä puolijohdesovelluksissa. Aaretti Kaleva tutki hiilidioksidiin perustuvaa valmistusmenetelmää, jolla voidaan valmistaa erilaisia nano- ja mikrokokoisia karbonaattirakenteita sinkin pintaan. Näitä rakenteita yhdessä voidaan kutsua keinopatinaksi. Hiilidioksidin hyödyntämistä on laajasti tutkittu polttoaineiden valmistamisessa, polymeerien syntetisoinnissa ja mineralisaatiosovelluksissa, mutta Kalevan työ tuo uuden näkökulman hiilidioksidin hyödyntämiseen raaka-aineena.

– Keinopatinaa voidaan valmistaa käyttämällä vain hiilidioksidia ja vettä, mikä tekee siitä ympäristöystävällisin tavan funk­tionalisoida sinkkipintoja, Aaretti Kaleva kertoo.

Väitöskirjassaan Kaleva esittelee kaksi esimerkkisovellusta, joissa keinopatinaa voitaisiin hyödyntää: esikäsittelynä maalattaville galvanoiduille pinnoille ja sinkkioksidinanolankojen valmistusmenetelmänä.

Galvanoitujen pintojen esikäsittelynä keinopatina edistää korroosiokestävyyttä ja maalin tarttuvuutta sinkkipintaan. Nykyään galvanointiteollisuudessa käytetään kemiallisia esikäsittelyitä, joilla parannetaan huonoa maalintarttuvuutta natiiviin sinkkipintaan.

– Aikaisemmin, ja joissain tapauksissa vielä nykyäänkin, yleinen maalintarttuvuutta edistävä menetelmä oli antaa luonnollisen patinan muodostua sinkkipintaan yli vuoden ajan ennen maalausta. Keinopatinamenetelmä käyttää pääasiassa vain hiilidioksidia ja vettä ilman haitallisia kemikaaleja ja voisi toimia puhtaampana esikäsittelymenetelmänä galvanoiduille pinnoille. Samalla se on huomattavasti nopeampi verrattuna luonnolliseen patinointiin. Maalintarttuvuuden lisäksi keinopatina antaa sinkkipinnalle myös paremman korroosionkeston muodostuvan sulkukerroksen vuoksi, Kaleva sanoo.

Toisessa sovellusesimerkissä Kaleva esittää sinkkioksidinanolankojen yksinkertaisen valmistuksen keinopatinamenetelmällä. Näitä nanolankoja voidaan käyttää lukuisissa puolijohdesovelluksissa, kuten antibakteerisissa pinnoissa, kaasusensoreissa ja aurinkopaneeleissa.

– Keinopatinamenetelmällä voidaan valmistaa sinkkikarbonaattinanolankoja ja ne voidaan lopuksi konvertoida sinkkioksidinanolangoiksi lämpökäsittelyn avulla. Nykyisiin menetelmiin verrattuna keinopatinamenetelmä on siihenkin hyvin yksinkertainen ja nopea menetelmä, Kaleva kertoo.

Tutkimus on osa Teollisuuden tohtorikoulua ja sitä rahoittivat SSAB Europe Oyj ja Tampereen yliopisto. Muita yhteistyökumppaneita olivat turkulainen Top Analytica Ab ja Bordeauxin yliopisto. Tutkimusaihe palkittiin myös Hämeen ammatillisin korkeakoulutuksen ja tutkimuksen säätiön kannusteapurahalla.

Aaretti Kaleva on kotoisin Tampereelta ja valmistui Tampereen teknillisestä yliopistosta tekniikan maisteriksi. Hän työskentelee parhaillaan nesteanalysaattoreita valmistamassa ColloidTek Oy:ssä. Hän toimii myös Tampereen yliopistossa konsultoivassa roolissa väitöskirjatutkimuksen jatkoprojektissa, jossa tutkitaan keinopatinan soveltuvuutta muihin sovelluksiin.

Diplomi-insinööri Aaretti Kalevan Materiaalitekniikan alaan kuuluva väitöskirja Zinc Surface Functionalization: Artificial Patination with CO2 tarkastettiin julkisesti Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnassa perjantaina 12.3.2021. Vastaväittäjinä toimi Dr Michael Rohwerder (Max Planck Institut für Eisenforschung, Düsseldorf, Saksa) ja Dr Ralph Bäβler (Federal Institute for Materials Research and Testing, Berliini, Saksa). Kustoksena toimi professori Erkki Levänen tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnasta.