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Introducción
Los iones cloruro son abundantes en las atmósferas costeras (aerosol marino), el cual se deposita sobre la superficie de metales, intensificando su corrosión debido al aumento de la conductividad del electrólito, la formación de productos de corrosión solubles y la rotura de películas pasivantes entre los más importantes. (Chico et al, 1998). Este fenómeno afecta a las esculturas metálicas emplazadas en espacios públicos exteriores, dado que están constituidas por metales que pueden corroerse, como cobre, bronce, latón, hierro y acero. Su prolongada exposición provoca degradación y menor resistencia asociada a roturas o fisuras, que hacen necesaria su reparación o reemplazo en el caso que no sea posible su restauración. Las diferentes técnicas existentes para la conservación y restauración de objetos de acero expuestos a la atmósfera según lo planteado por Roselli y colaboradores (2013) son: la limpieza mecánica del objeto metálico para eliminar los productos de corrosión, el lavado con agua para eliminar los iones agresivos remanentes, la aplicación de un convertidor de óxidos y la utilización de una pintura resistente al medio ambiente, protectora y/o selladora de la superficie (Roselli et al, 2013). Estos procedimientos permiten asegurar una máxima vida útil de la escultura para posponer el deterioro de los metales que tienes un mayor costo de reparación (Longoni et al, 2002). Dentro de este contexto Roselli y colaboradores (2013) plantean que la aplicación del convertidor de óxidos no es necesaria si se elige un buen recubrimiento anticorrosivo, precedido de un tratamiento de la superficie. A efectos de respetar con la mayor fidelidad posible la pieza a restaurar es que la pintura aplicada puede resultar transparente si se evita el uso de material pigmentario opacante, la variación de su pigmento debe simular el color original de la pieza metálica a proteger, la eficiencia de un recubrimiento anticorrosivo depende del pigmento inhibidor que se utilice en su formulación para la ejecución de ensayos preliminares se realizan pruebas de laboratorio con el recubrimiento elegido y sobre pequeñas áreas de las propias piezas. (Roselli et al, 2013). Los inhibidores de corrosión más efectivos utilizados en recubrimientos protectores contenían cromatos en su formulación, aunque los compuestos de cromo hexavalente no son aceptables por sus propiedades cancerígenas y por la dificultad de eliminarlos del medio ambiente (Suarez, 2006). Ante las dificultades derivadas del uso de los cromatos, surge la utilización de los fosfatos que ocasionan un menor impacto ambiental pero provocan una paulatina eutroficación de los recursos hídricos (Soria et al., 1987). A objeto de evitar estos inconvenientes, Roselli y colaboradores (2013) desarrollaron un material pigmentario con zeolita intercambiada con iones cerio (III) libre de cromo y con reducido contenido de fosfato, que puede incorporarse a la formulación de una pintura anticorrosiva apta para proteger sustratos de acero o similares (Roselli et al, 2013). La mayoría de los inhibidores de corrosión han sido estudiados en medio ácido (Ahamad and Quraishi, 2010). Dentro de los compuestos cuyas propiedades anticorrosivas han sido investigadas, están los compuestos farmacéuticos (Vaszilcsin et al, 2012 ; Samide, 2013) un ejemplo de estos es el Metamizol, cuya fórmula estructural aparece en la figura 1, al cual se le han investigado sus propiedades anticorrosivas sobre estaño en medio ácido clorhídrico (Attia et al., 2016), pero no han sido investigadas sus propiedades anticorrosivas en soluciones neutras, que contengan cloruro de sodio, lo cual resulta vital para entender el comportamiento de metales en condiciones costeras (Cáceres et al., 2007). Cabe si mencionar que el Metamizol es un microcontamiente (Santana-Rodríguez, 2017) y que solo fue incluido en el presente trabajo debido a su bajo costo y fácil adquisición, pero una vez finalizado el experimento los residuos deberían ser tratados con peróxido de hidrogeno y hierro (II) en presencia de luz ultravioleta antes de ser vertidos al alcantarillado (Malato, 2008). Catañeda y Colaboradores (2000) señalan que para las pruebas aceleradas de corrosión se utilizan cámaras aceleradoras de la corrosión, cuyo objetivo es controlar los factores que contribuyen a la corrosión, siendo uno de los más difundidos el ensayo denominado “Salt Spray (Fog) Test” o “Prueba del Spray de Sal” o “Ensayo en Cámara de Niebla Salina” (Castañeda et al, 2000), encontrándose normalizada por la ASTM B-117 (ASTM B-117, 2011). Consta de una cámara en la cual se utiliza un atomizador para crear niebla salina que cae de manera vertical sobre las probetas problema, a una temperatura de 35 °C y una concentración de 5 % de NaCl en peso y en investigaciones recientes, se ha demostrado que existe buena correlación entre los ensayos en cámara de niebla salina y medicines de impedancia electroquímica y potencial de corrosión (Bedoya-Lora et al, 2011). La cámara de niebla salina estándar ha sido utilizada en un sinnúmero de estudios referido a corrosión de acero (Sacco et al, 2001; Ramírez-Palma et al, 2010; Suárez-Corrales et al, 2014). Otras investigaciones han optado por construir sus propias cámaras a objeto de controlar parámetros específicos de medición, a modo de ejemplo es el caso de Dahbura (2012) diseño y construyó una cámara de niebla salina para realizar ensayos de corrosión donde se controlan los parámetros de presión de aire, salinidad, temperatura mínima, máxima dentro de la cámara, tiempo de exposición y proceso de limpieza de las probetas (Dahbura, 2012), Pinzón y Jiraldo (2005) diseñaron un tipo de cámara de neblina para el análisis de corrosión en materiales cuyas condiciones ambientales se generan en base a la formación de una niebla salina a la que se exponen las muestras (Pinzón y Jiraldo, 2005). Para el presente trabajó se construyó una cámara de niebla salina casera (home-made), pero funcional equipada con sensores de temperatura y humedad utilizando una placa Arduino, las cuales se han transformado rápidamente en una opción válida para el manejo de sensores, ya que además de incluir excelentes ventajas en la adquisición de datos también presentan un bajo costo, poseen entradas digitales y analógicas, así como conectividad con el computador y el entorno de desarrollo de Arduino es de libre acceso y puede ser descargado de su sitio web (Delgado-Castro y Rojas-Bolaños, 2015). En los estudios metalográficos se utilizan implementos para corroborar el avance del desbaste y del pulido de las superficies metálicas como lupas o microscopios ópticos (Melo y Aragon, 2007), siendo este último el más utilizado para realizar el examen metalográfico. En relación con la observación, los microscopios utilizados en metalográfica contemplan aumentos que varían entre los 50x a los 2000x (Poma, 2016), pero estos no son recomendables para prácticas de laboratorio de cursos de corrosión metálica ya que generalmente son difíciles de trasportar y de alto costo (Melo y Aragon, 2007). Es en estos casos, donde es recomendable utilizar aparatos de fácil trasporte y de menor costo para la toma de fotomicrografías, que corresponden a una fotografía tomada a través de un microscopio (no debe confundirse con una microfotografía, que se refiere a la reproducción de documentos en película de pequeño formato), (Poma, 2016). La evaluación de la inhibición de corrosión en metales expuestos a medios corrosivos utilizando fotomicrografías es una práctica común en la investigación de corrosión de metales en presencia de inhibidores (Cabrera-Sierra et al., 2007), en estos casos el microscopio debe tener la capacidad de observación, captura y almacenamiento digital de imágenes, para que el alumno pueda ver y editar las fotomicrografías que le permitan visualizar la acción del inhibidor. Un equipo que reúne estas características fue utilizado por Melo y Aragón para la enseñanza de técnicas de preparación de muestras metalográficas y análisis metalográfico en campo (Melo y Aragon, 2007). Así al crear una práctica de laboratorio que investigue las propiedades anticorrosivas sobre esculturas de acero de interés patrimonial, valor artístico y arquitectónico en una cámara de niebla salina de un compuesto farmacéutico que incluya el uso de un microscopio de bajo costo, no solo posicionaría al alumno en conocimientos, habilidades y destrezas para manejar una determinada técnica (Lagos y Camus, 2016), sino que también le permitiría integrar grupos de trabajo interdiciplicarios entre estudiantes de carreras de Pedagogía en Química, Matemáticas y Computación, Historia y Geografía y Artes Plásticas. Así el objetivo del presente trabajo fue la observación de corrosión e inhibición mediante una cámara de niebla salina, sensores y un microscopio de bajo costo de acero constituyente de esculturas.
Experimental
Cámara de Niebla Salina
La cámara de niebla salina fue construida utilizando una pecera de 100 cm de largo, 31 cm de ancho y 40 cm alto, un humidificador ultrasónico Modelo ACT-HUM junto a una solución de cloruro de sodio al 3.0 % en peso y un vaso de precipitado de 1000 mL. La solución se adicionó al vaso de precipitado y posteriormente se colocó dentro del humificador ultrasónico. Figura 2.
Monitoreo de humedad relativa en la cámara de niebla salina
La figura 3 muestra el montaje del sensor de temperatura y humedad relativa de bajo costo, el cual se compone de una placa Arduino UNO, y un sensor de temperatura y humedad modelo ASTFG. La placa Arduino UNO, es una placa microcontroladora basada en el ATmega328 la cual cuenta con 14 entradas, de las cuales 6 se pueden utilizar como salidas PWM, 6 como entradas analógicas, una cerámica de 16 MHz Resonador, una conexión USB, una toma de alimentación, una cabecera ICSP y un botón de reinicio. Contiene todo lo necesario para soportar el sensor, conectándolo a un computador utilizando o alimentándolo con una batería externa. La tarjeta Arduino posee un corversor análogo-digital (A/C) el cual es un dispositivo electrónico capaz de convertir una señal analógica en un valor binario, esto es entre 0 y 1. Este dispositivo establece una relación entre la señal de entrada (señal analógica) y la señal de salida (digital) la cual depende de su resolución. Ya que la resolución determinará la precisión con la que se reproduce la señal original, la cual se puede calcular si se conoce el valor máximo de la entrada a convertir y la cantidad máxima de la salida en dígitos binarios dada por el cociente entre el voltaje de referencia y 1024, esto implica que mapeará los valores de voltaje de entrada, entre 0 y el voltaje de referencia, a valores enteros comprendidos entre 0 y 1023. Por lo que el sensor analógico estará caracterizado con un valor comprendido entre 0 y 1023 (Newark, 2015).
Programación de la placa Arduino UNO
Utilizando el entorno de desarrollo de Arduino se modificó un programa para realizar lecturas de humedad relativa, estableciendo un tiempo de muestreo de 3500 milisegundos, todos las lecturas fueron enviadas desde la placa Arduino UNO hacia el computador con una conexión USB mediante la interfaz de comunicación serial de Arduino. Para realizar las mediciones se usó el sensor DHT11 insertado en una PCB el cual cuenta con 3 Pines, la toma de tierra GND, para los datos DATA y para la alimentación VCC los cuales fueron conectados a las entradas GND, 7 y 5V de la placa Arduino UNO respectivamente. En la Figura 4 se puede apreciar el esquema de conexión con Arduino. El código del programa modificado se presenta a continuación.
Figura 4: Montaje del circuito electrónico de la placa Arduino UNO al sensor de humedad relativa sensor de temperatura y humedad modelo ASTFG.
/*Sensor de Temperatura y Humedad DHT11
Instrucciones:
Recuerda descargar la libreria DHT para poder utilizar este sensor
Conectaremos el Sensor DHT11 a 5v y el pin de señal a la entrada digital 7
*/
#include “DHT.h”
#define DHTPIN 7
#define DHTTYPE DHT11
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
void setup() {
Serial.begin(9600);
dht.begin();
}
void loop() {
int h = dht.readHumidity();// Lee la humedad
Serial.print(h);//Escribe la humedad
Serial.println(“ %”);
delay (3500);
}
El programa una vez compilado se cargó en la placa Arduino UNO para iniciar con su ejecución, siendo cargado cada vez que la placa Arduino UNO fue conectada al computador por medio del puerto USB (Delgado-Castro y Rojas-Bolaños, 2015).
Pulido de la superficie de acero y aplicación del inhibidor de corrosión
Se utilizó un cilindro de acero al carbono SAE 1010 cuya composición en peso fue de 98.5 Fe, 0.2 C, 0.6 Mn y trazas de P, S, Si, Sn, Cu, Ni, Cr, y Mo, cubierto con resina epoxica dejándolo con un área expuesta circular de 0,1257 cm2 la cual fue pulida utilizando papel de lija de 500 y 1200 grados respectivamente, posteriormente fue limpiada en un lavado ultrasónico Baku BK-9050 durante 2 minutos en agua, luego se lavo con alcohol, agua destilada y acetona respectivamente, finalmente se le seco con una secadora de pelo Somela Handy 1200. Para el experimento de inhibición de la corrosión se utilizó Metamizol, el cual se disolvió en agua bidestilada formando una solución con una concentración 0,7 M, esta solución fue escurrida sobre la superficie metálica e inmediatamente fue secada utilizando la secadora de pelo Somela Handy 1200.
Visualización de fotomicrografías
Para la toma de las fotomicrografías se utilizó un Microscopio digital USB FC CE RoHS 500x de bajo costo, mostrado en la figura 5 y cuyas características aparecen en la Tabla 1. Este viene provisto de una regla de calibración micrométrica la cual es mostrada en la figura 6.
Tabla 1: Características del Microscopio digital USB FC CE RoHS 500x de bajo costo
| Image sensor | 0.3 m CMOS sensor (interpolated to 2.0 MPIX) |
|---|---|
| Photo resolution | UP to 2560*1920 |
| Video capture resolution | UP to 640*480 |
| Focus range | 15mm-40mm |
| Frame rate | up to 30 fps |
| Magnification range | 50x-500x |
| Available video format | avi |
| Available photo format | bmp/jpg |
| Adjustable illumination | 8 built-in led diodes |
| Pc interface | usb 3.0/2.0/1.1 |
| Usb powered | 5v direct current |
| Compatible OS | windows/xp/vista/8 |
| Aditional measurement & calibration | Micro-measurement tool |
| Available colour versions | Matt black |
| Dimensions | 112mmx33mm |
| Weight | 300gr |
Resultados y discusión
La figura 7 muestra el perfil de humedad relativa (HR) registrado durante los 80 minutos del experimento sin la presencia del inhibidor de corrosión, donde se pueden apreciar diferentes secciones, la primera empezando desde la sección A-B comenzando con una HR del 50% al 65%, la segunda empezando inmediatamente después correspondiente a la sección B-C comenzando con una HR del 65% al 88 %, desde la sección C-D comenzando con una HR del 88 % al 90 %, terminando en la sección D-E prácticamente constante de 95% de HR dentro de la cámara de niebla salina. La figura 8 muestra el perfil de HR registrado durante también 80 minutos del experimento con la presencia del inhibidor de corrosión donde también se pueden apreciar diferentes secciones, la primera empezando desde la sección F-G comenzando con una HR del 45 % al 58 %, la segunda empezando inmediatamente después correspondiente a la sección G-H comenzando con una HR del 58 % al 84 %, desde la sección H-I comenzando con una HR del 84 % al 95 %, terminando en la sección I-J prácticamente constante de 95% de HR dentro de la cámara de niebla salina para ambos experimentos la temperatura ambiente fue de 20 °C con un total de 1285 mediciones para el experimento sin inhibidor y un total de 1259 mediciones con inhibidor, ambos con una velocidad de muestreo de 3,5 mediciones/s registradas en el monitor seria del ID de Arduino (Newark, 2015) estos resultados son concordantes con lo reportado por Li e Hijara (Li and Hijara, 2010). Durante todo el proceso se tomaron fotomicrografias cada 5 min de la superficie de acero en la cámara de neblina con un microscopio de bajo costo las cuales se muestran en la figura 9 sin inhibidor y en la figura 10 con inhibidor correspondientes a los puntos A, B, C, D y E para el experimento sin inhibidor y a los puntos F, G, H, I e J para el experimento con inhibidor. En las fotomicrografías del acero al carbono con inhibidor es evidente la protección del acero contra la corrosión producida por el aerosol marino. El acero al carbono sin la presencia del inhibidor presenta un patrón de corrosión del tipo picadura, cuando el acero está cubierto con inhibidor se observa una disminución en este patrón de corrosión (Cáceres et al., 2009). Estos resultados obtenidos en la práctica de laboratorio con instrumental de bajo costo, le proporcionaran al alumno no solo conocimientos y habilidades en corrosión sino también se logra que aplique conceptos de química orgánica y programación al interpretar sus resultados utilizando un instrumento con datos reales. Es decir, se cumpliría con todas las expectativas de la docencia en el laboratorio (Lagos y Camus, 2016). En este caso, el alumno comprende el concepto de la inhibición de la corrosión metálica y la técnica de medida utilizando una cámara de niebla salina (Brühl et al., 2007), al entender el funcionamiento básico de la cámara de niebla salina y la base del monitoreo de la humedad relativa utilizando el monitor serial de Arduino (Newark, 2015), además la práctica de laboratorio propuesta permite realizar posteriores experimentos con otros compuestos orgánicos (Roselli et al, 2013) u otros metales utilizados en la confección de esculturas de acero para determinar sus propiedades anticorrosivas, con estos resultados los procesos de interdiciplinaridad son favorecidos dado que es fácil reconocer la potencial pérdida del valor patrimonial y estético de la obra. Con ello se establecen vínculos directos entre los procesos corrosivos con el comportamniento atmosférico (Historia y Geografía), el valor patrimonial (Historia y Artes Plásticas), y la electrónica programación (Matemáticas y Computación). Con esta experiencia los estudiantes logran un lenguaje en común que les facilitaría continuar las interacciones en los ámbitos pedagógico-profesionales.
Figura 7: Perfil de humedad relativa (HR) registrado durante los 80 minutos del experimento sin la presencia del inhibidor de corrosión.
Figure 8: Perfil de HR registrado durante también 80 minutos del experimento con la presencia del inhibidor de corrosión
Figura 9: Fotomicrografías de la superficie de acero en los minutos 0, 5, 20, 50 y 80 sin la presencia del inhibidor de corrosión respectivamente.
Conclusiones
En el presente trabajo se cumplió el objetivo principal propuesto, observación de corrosión e inhibición mediante una cámara de niebla salina, sensores y un microscopio de bajo costo del acero constituyente de esculturas. Los equipos y sensores utilizados abren un amplio abanico de opciones para el desarrollo de experiencias educativas pudiendo entrar en contacto con áreas poco exploradas y se visualiza la interacción con relevancia pedagógica a bajo costo, pasando de la etapa observacional a la experimental. Por ejemplo, preservación y restauración de esculturas de acero que sean un patrimonio cultural, monitoreo utilizando métodos instrumentales en el laboratorio, e incluso el montaje y programación de circuitos electrónicos, entre muchas otras.
