Article about Nanto Protective Coating Srl on IPCM magazine

The new international magazine about corrosion control and prevention

ProtectiveCoatings

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20121st YEARQuarterly

N°4-December

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DECEMBER 201254

PROTECTIVE COATINGS INNOVATIONS

NANOTECHNOLOGIES INCREASES LONG-LIFE PERFORMANCE OF PROTECTIVE COATINGS UP TO 40%Le nanotecnologie aumentano le prestazioni di lunga durata dei rivestimenti protettivi fi no al 40%

I n 2012 the total cost of corrosion in the US exceeded $1 trillion annually for the fi rst time; this has been a signifi cant step in

the eff ect of corrosion on the U.S. Instead, in 2011, as mentioned in a widely-cited study by the National Association of Corrosion Engineers, NACE, the direct cost of corrosion was 3.1% of the 15.1 Trillion U.S. GDP, which in 2011 was equal to $ 468.1 Billion and estimated more than € 200 billion in Europe. These data show the increasing need for more eff ective and less costly protective coatings. At the same time EU and government regulations are driving demand for lower content of chemicals in coatings.Nanotechnology off ers great potential for creating materials and systems with properties and functions not currently available. Polymer nanocomposites possess superior physical characteristics and mechanical performance. They have found extensive applications in aerospace, defence, aviation, transportation, marine and sports and recreation industries. Novel additives, nano-sized resins and coating formulations incorporating one or both of these technologies are now commercially available. Nanotechnology is already being applied in specifi c cases such as nanomaterials that enable the controlled release of corrosion inhibitors. However, very few paint and coatings containing nanoparticles have reached the market and found wide application.The result of this need for innovation and for cost effi ciency in the corrosion protection fi eld is a nanostructured protective coating which combines the traditional know-how of coating formulation with nanotechnology. The extensive research & development brought to the formulation of nanocoatings after 3 years and was held by Nanto team under the direction of Roberto Cafagna and prof. Samuel Kenig in cooperation with the Shenkar College of Engineering and Design in Tel Aviv and the University of Trento for products testing. Nanto Protective Coating Srl is the company - founded in 2010 - which is proprietary of the patented nanoclay formulations designed to improve viscosity and barrier properties of coatings and polymer by increasing the barrier eff ect to oxygen, humidity and chemical agents. This technology has also a positive impact in terms of delamination resistance, impact resistance, colour and gloss retention (UV resistance). In 2008, after more than six years of scientifi c research, NPC’s Technical Director for nanoclay functionalization and new production plant – Prof. Samuel Kenig, (Shenkar University of

N el 2012 il costo totale della corrosione negli USA ha supera-to per la prima volta il triliardo di dollari l’anno; si tratta di

un passo signifi cativo negli eff etti della corrosione sugli Stati Uniti. Al contrario, nel 2011, come accennato in uno studio ampiamen-te citato della NACE (National Association of Corrosion Engineers) il costo diretto della corrosione era stato del 3,1% del PIL totale USA di 15,1 trilioni di dollari, che nel 2011 corrispondeva a $ 468,1 miliardi. In Europa è stimato essere di 200 miliardi di euro. Questi dati mo-strano la crescente necessità di rivestimenti protettivi più effi caci e meno costosi. Allo stesso tempo, le norme dell’Unione Europea stanno stimolando la domanda di rivestimenti con basso contenuto di sostanze chimiche. Le nanotecnoIogie off rono grande potenzialità per la creazione di materiali e sistemi con proprietà e funzioni attualmente non dispo-nibili. I nano-compositi polimerici possiedono caratteristiche fi siche e resistenze meccaniche superiori. Hanno trovato ampia applica-zione nei settori aerospaziale, della difesa, dell’aviazione, dei tra-sporti, della nautica e nell’industria dello sport e ricreativa. Nuovi nano-additivi, resine nanometriche e formulazioni di vernici che incorporano una o entrambe le tecnologie sono oggi disponibili in commercio. Le nanotecnologie sono già applicate in alcuni casi spe-cifi ci come nano-materiali che consentono il rilascio controllato di inibitori della corrosione.Tuttavia, pochissime vernici contenenti nano particelle hanno raggiun-to il mercato o trovato vasta applicazione. ll risultato di questo bisogno d’innovazione è un rivestimento protettivo nano-strutturato, che uni-sce il tradizionale know-how formulativo con la nanotecnologia.L’estesa attività di ricerca e sviluppo ha portato alla formulazio-ne delle nano-coating dopo tre anni ed è stata condotta dal team Nanto sotto la direzione di Roberto Cafagna e del prof. Samuel Kenig in collaborazione con lo Shenkar College of Engineering and Design di Tel Aviv e dell’Università di Trento per i testing dei prodotti. Nanto Protective Coating Srl è l’azienda, fondata nel 2010, che de-tiene il brevetto della formulazione dei nanoclay progettati per mi-gliorare la viscosità e le proprietà di barriera di vernici e polimeri, in grado di aumentare l’eff etto protettivo nei confronti di ossigeno, umidità e agenti chimici. Questa tecnologia ha anche una ricaduta positiva in termini di resistenza alla delaminazione, all’impatto, ri-tenzione del colore e della brillantezza (resistenza agli UV). Nel 2008, dopo oltre sei anni di ricerca scientifi ca, Il direttore tecnico di NPC per la funzionalizzazione delle nanoclay e del nuovo impian-to produttivo – Prof. Samuel Kenig (Shenkar University di Tel Aviv) – condusse i test iniziali insieme al team italiano di Nanto. Nelle fasi

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Roberto Cafagna, Nanto Protective Coating Srl, Trieste, Italy [email protected]

Tel Aviv) - run the initial tests together with the Italian Nanto team. During the following stages, the team was totally focused on the technological optimization and chemical characterization of the epoxy matrix formulation. The new product portfolio has been chemically characterized by Prof. Pierluigi Bonora – Full Professor at Material Science & Engineering Department at University of Trento, and International expert in corrosion.Today, thanks to a manufacturing and product development agreement with the Italian paint producer Franchi & Kim Spa, Nanto Protective Coating Srl provides innovative nanocoatings which are cost eff ective, green and have unique anticorrosion properties which ensure a 40% improvement of the long life performance.

The Technology: Introduction to NanoclaysNanoclays (montmorillonite) are composed of layered alumino-silicates bound together by Na+ ions (Fig. 1). In nature they form a closed structure that, to be useful, has to be delaminated (exfoliated). When eff ectively exfoliated the single layer is 1 nm thick and has a surface area of (0.5-1μm) x (0.5-1μm). The surface area of exfoliated Nanoclays is 700 m2/gr.

The Technology: The principleProper exfoliation and orientation of the nanoclay (Fig. 2) platelets reduce permeability in the paint system. Reduction of permeability is attributed to the tortuous path available for diff usion of gases (oxygen) and liquids (water). The reduction of permeability results in corrosion inhibition of metal structures (Fig. 3).

The Technology: AdvantagesThe patented NPC technology develops the eff ectiveness of nanoclays as barrier elements to corrosion, in order to obtain anti-corrosion coatings, and as fi re retardant elements in polymers. Nanto Protective Coating products are unique in that they combine the features of high end anticorrosion coatings with the additional benefi ts of innovative nanoparticles as barrier elements.

successive, il team si è focalizzato totalmente sull’ottimizzazione tecnologica e sulla caratterizzazione chimica della formulazione della matrice epossidica. Il nuovo portafoglio prodotti è stato ca-ratterizzato chimicamente dal Prof. Pierluigi Bonora – professore ordinario di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso l’Università di Trento ed esperto internazionale di corrosione.Oggi, grazie alla sottoscrizione di un accordo di produzione e svi-luppo prodotto con il produttore italiano di vernici Franchi & Kim Spa, Nanto Protective Coating Srl fornisce nanorivestimenti innova-tivi “verdi”, effi cienti dal punto di vista dei costi, e con proprietà an-ticorrosive uniche che assicurano un miglioramento del 40% delle performance di durata.

La tecnologia: introduzione ai nanoclayI nanoclay (montmorillonite) sono composti alluminio-silicati stratifi ca-ti legati insieme da ioni Na+ (fi g. 1). In natura essi formano una struttu-ra chiusa che, per essere utile, deve essere delaminata (esfoliata). Quan-do viene esfoliata in modo effi cace, il singolo strato ha uno spessore di 1 nm e ha una superfi cie di (0,5-1 μm) x (0,5-1 μm). La superfi cie dei nano-clay esfoliati è di 700 m2/gr.

La tecnologia:il principioL’esfoliazione e l’orientamento cor-retto delle piastrine dei nanoclay (fi g. 2) riducono la permeabilità del sistema di pitturazione. Questa ridu-zione è attribuibile al percorso tor-tuoso disponibile per la diff usione dei gas (ossigeno) e dei liquidi (acqua). La riduzione della permeabilità ha come risultato l’inibizione della corrosione nelle strutture metalliche (fi g. 3).

La tecnologia:vantaggiLa tecnologia brevettata di NPC svi-luppa l’effi cacia dei nanoclay come

elementi di barriera contro la corrosione, al fi ne di ottenere rive-stimenti anti-corrosivi ed elementi ignifughi nei polimeri. I pro-dotti NPC sono unici in quanto combinano le caratteristiche dei rivestimenti anticorrosivi di alto livello e i benefi ci aggiuntivi delle nano particelle come elementi barriera.

1

Structure and composition of nanoclays.

Struttura e composizione dei nanoclay.

2

Comparison between a NPC treated nanoclay (left) and an untreated nanoclay (right).

Comparazione tra una nanoclay trattata da NPC (sinistra) e una nanoclay non trattata (destra).

1

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These nanostructured anti-corrosion products are developed to create durable and cost eff ective systems to defeat corrosion even in the most challenging environments. Thanks to the presence of treated nanoparticles, products display a high barrier eff ect which improve the coating resistance and reduce the permeability to water.The advantages of NPC nanostructured coatings are:- increased barrier eff ect;- reduced permeability;- improved crack bridging

properties;- enhancement of both modulus

and strength; - better surface wettability;- reduction of coating thickness in comparison of equivalent

coating; - cost effi ciency;- absence of negative infl uence on other coating properties

such as physical properties, application conditions, surface preparation requirements or drying time;

- product customization;- improvement of the level of performance reducing the use

of chemicals (greener technology).

NPC anticorrosive paint intellectual property, is protected by three patents:• US2002/0173559: High Barrier Paints• IT2009/000550: Vernici e Rivestimenti anticorrrosivi,

contenenti nanoparticelle • WO2010/064274: Anticorrosive paintings & coatings

containing nanoparticles.

Health and SafetyIn recent years, a lot of concerns has been expressed relatively to nanomaterials and nanotoxicity. The nanoparticles incorporated in Nanto Protective Coating’s products are absolutely safe compounds. They are treated with non-toxic biocompatible chemicals currently used in manufacturing of biodegradable polymer-based nanocomposite and in food packaging. Nanoclays are based on silicates which are materials widely spread in the environment.Nanotoxicity: Bentonite and montmorillonite are not classifi ed as dangerous substances according to Directive 67/548/EEC; Solvent content: NPC products are certifi ed UNI EN ISO 9001-2000 and UNI EN ISO 14001 in accordance to the quality and

Questi prodotti anticorrosivi nanostrutturati sono stati sviluppati per creare sistemi durevoli e effi cienti dal punto di vista dei costi per sconfi gge-re la corrosione anche negli ambien-ti più severi. Grazie alla presenza del-le nano-particelle trattate, i prodotti mostrano un eff etto barriera tale da migliorare la resistenza delle vernici e ridurre la permeabilità dell’acqua.I vantaggi dei rivestimenti NPC nanostrutturati sono:- aumento dell’eff etto barriera;- permeabilità ridotta;- proprietà di crack bridging miglio-

rate;- potenziamento del modulo e della forza;- miglior bagnabilità superfi ciale;- riduzione dello spessore della vernice rispetto a una vernice equi-

valente;- effi cienza dal punto di vista dei costi;- assenza di infl uenze negative su altre proprietà delle vernici (ad es.

proprietà fi siche, condizioni applicative, requisiti di preparazione superfi ciale, e tempi di essiccazione);

- customizzazione del prodotto;- miglioramento delle prestazioni a fronte della riduzione di sostan-

ze chimiche nocive (tecnologia ecosostenibile).

La proprietà intellettuale delle vernici anticorrosive NPC è coper-ta da tre brevetti:• US2002/0173559: High Barrier Paints• IT2009/000550: Vernici e rivestimenti anticorrosivi contenenti

nanoparticelle• WO2010/064274: Anticorrosive paintings & coatings contain-

ing nanoparticles.

Salute e SicurezzaNegli ultimi anni è stata espressa molta preoccupazione rela-tivamente ai nano-materiali e alla loro tossicità. Le nano-par-ticelle incorporate nei prodotti NPC sono composti assoluta-mente sicuri. Sono trattati con prodotti chimici non tossici e biocompatibili utilizzati correntemente nella produzione di nano-compositi polimerici biodegradabili e nel packaging ali-mentare. Le nanoclay si basano su silicati, ossia materiali am-piamente presenti in natura.Nanotossicità: bentonite e montmorillonite non sono classifi ca-te come sostanze pericolose ai sensi della Direttiva 67/548/CEE.Contenuto del solvente: i prodotti di NPC sono certificati UNI EN ISO 9001-2000 e UNI EN ISO 14001, in conformità alle di-

3

The anticorrosion eff ect is enhanced by nanoparticles orientation.

L’eff etto anticorrosivo è potenziato dall’orientamento delle nanoparticelle.

3

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Table 1: Technical characteristics and related benefi ts of NPC-100 Series painting products

Tabella 1: Caratteristiche tecniche e benefi ci relativi alla serie di prodotti vernicianti NPC-100

Product Description Benefi ts

NPC 101 High solid epoxy-polyamide primer with high anticorrosive properties due to the active pigments content. Suitable for new painting systems and maintenance works according to its excellent adhesion both to manually prepared supports, old paints, hot galvanized steel plates and light alloys. Primer in paint systems for C4 High atmospheric-corrosivity.

Blister resistantExcellent adhesionHigh elasticity

NPC 102 High solid epoxy intermediate. Applicable up to 200 pm in one single coat. Due to its high barrier properties, it is excellent for new painting systems and maintenance works, according to its very good adhesion both to epoxy primer, old well preserved paints, hot galvanized steel plates and light alloys. Overcoatable with several top-coats (N.PC. 103). Intermediate in paint systems for C4 High atmospheric-corrosivity.

Improved wettabilityHigh barrier propertiesExtreme crack bridging

NPC 103 Polyurethane fi nishing paint with aliphatic isocyanate hardener, medium — high thickness. Wide compatibility range with pure or modifi ed epoxy primers and intermediates coats, as well as with other specifi c products. Very good lasting gloss and colour retention, good resistance properties outdoor, in marine and industrial environment, good lasting fl exibility. Not yellowing, re-coatable for long time.

High gloss fi nishUV protectionExcellent durability

NPC 104 Two pack epoxy-polyamide primer. Suitable for new painting systems and maintenance works according to its excellent adhesion both to steel and hot galvanized steel plates. Primer in paint systems for C3 medium atmospheric-corrosivity.

Blister resistantExcellent adhesionHigh elasticity

NPC 105 High solid epoxy intermediate. Provides a high barrier protection due to micaceous iron oxide content. Suitable for new painting systems and maintenance works, for shop and on-site applications. It can be overcoated even after a long period of time. Intermediate in paint systems for C4 High atmospheric-corrosivity.

High barrier propertiesImproved wettabilityExtreme crack bridging

NPC 106 Two component epoxy air-dried coating. Low solid content. Zinc powder as active pigment. Characterized by fast drying and possible application in thin layers in thickness of 10-15 µm. Used as basic anticorrosive coating for protection of sanded steel tanks, technological equipment, containers and other metal surfaces.

Easy to applyDries quickly

NPC 107 Low solid content intermediate. Characterized by fast drying and possible application in thin layers in thickness of 10.15 µm. Used as basic anticorrosive coating for protection of sanded steel tanks, technological equipment, containers and other metal surfaces.Intermediate in pant systems for C3 Medium atmospheric-corrosivity

Resists to abrasionEasy to apply

NPC 108 Epoxy top-coat. Fast drying, good stability of shades, as well as resistance to water chemicals, different oils and oil products. Used as fi nal coating in systems with adequate epoxy primer for protection of technological equipment and steel constructions in chemical petrochemical industry for protection of steel and concrete tanks for industrial water, solvents of aggressive chemicals.

Durable fi nishWear-resistantExcellent durability

environmental provisions of the EU directives; NPC products are VOC (Volatile Organic Compound) compliant. Testing and manufacturing of NPC products have been certifi ed by Franchi & Kim Spa, NPC’s partner, at its Brescia facilities

The fi rst set of NPC products ready to marketThe N.P.C.-100 Series is a cluster of high effi ciency anticorrosion coatings for the heavy, marine and construction industry. High-performance anticorrosion coatings are applied to steel and concrete structures to provide protection within corrosive environments, following the ISO 12944-2 Environment Classifi cation.

sposizioni di qualità e ambientali delle direttive UE; i prodotti NPC sono conformi alle norme che regolano i COV (Composti Volatili Organici). Produzione e collaudo dei prodotti NPC so-no stati certificati da Franchi & Kim Spa, partner NPC, presso i propri stabilimenti di Brescia.

La prima serie di prodotti NPC pronta per il mercatoLa serie NPC-100 è un gruppo di rivestimenti anticorrosione ad alta effi cienza per l’industria pesante, edile e navale. I rivestimen-ti anticorrosione ad alte prestazioni sono applicati a strutture in acciaio e calcestruzzo per fornire protezione negli ambienti cor-rosivi, secondo la classifi cazione fornita dalla ISO 12944-2.

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NPC - SERIES 100: EIS analysis

StandardNanoInter09 EP HS

1X10-9

1X10-10

10-11

10-12

Coat

ing

Capa

cita

nce

[F2/

cm]

Time [Hours]-100 100 200 300 400 500 600 700 8000

StandardNanoInter09 EP HS

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Coat

ing

Resi

stan

ce [F

2/cm

]

Time [Hours]-100 100 200 300 400 500 600 700 8000

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SYSTEM ID Product Name

Suggested Film thickness(µm)

IndustrialApplications

Environments classifi cation by ISO 12944-2

SYSTEM 1 NPC-101 80 Steel infrastructuresLifting and industrial equipmentMarine sector

C5-I High durability.Aggressive corrosive environments

NPC-102 180NPC-103 60

SYSTEM 2 NPC-102 150 Energy and Oil&Gas sectorTransport systems

C3 High durability.Low to medium corrosive environmentsNPC-103 60

SYSTEM 3 NPC-104 80 Energy and Oil&Gas sectorTransport systems

C3 High durability.Low to medium corrosive environmentsNPC-105 120

SYSTEM 4 NPC-104 60 Lifting and industrial equipmentMarine sectorSteel infrastructures

C4 High durability.Medium corrosive environmentsNPC-102 120

NPC-103 60SYSTEM 5 NPC-106 30

Transport systemsIndustrial equipment

C4 Medium durability.Medium corrosive environmentsNPC-107 80

NPC-108 60

Table 2: Overview of the painting systems based on NPC-100 Series products and related applications and durability according to ISO 12944 standard

Tabella 2: Panoramica dei sistemi di verniciatura basati sui pro-dotti della Serie NPC-100 e relative applicazioni e durata secon-do la norma ISO 12944.

La tecnologia: prove di laboratorio certifi cateLa formulazione brevettata NPC è stata testata in modo estensivo presso i seguenti istituti di ricerca:- Shenkar College of Engineering and Design (Tel Aviv, Israele),

facoltà di Ingegneria dei Materiali Plastici (prof. Samuel Kenig)- Università di Trento, dip. Scienza e Tecnologia dei Materiali

(prof. Pierluigi Bonora, prof. Flavio Defl orian)- Impianti di fabbricazione Franchi & Kim Spa (Brescia).I prodotti formulati con le nanoclay sono stati testati dapprima secondo le seguenti normative:

- ISO 2812-1: resistenza chimica- ISO 6270: resistenza all’umidità- ISO 7253: nebbia salina- ASTM 02794: resistenza agli urti- ASTM 4060-90: resistenza all’abrasione- ASTM 4541: pull-off - Spettroscopia d’impedenza elettrochimica (EIS) (fi g. 4).

The Technology: Laboratory Testing Certifi cationNPC patented nanoclay formulation has been extensively tested at the following research facilities:- Shenkar College of Engineering and Design (Tel Aviv, Israel) Faculty of Engineering and Plastic Engineering (prof. Samuel Kenig)- Trento University (Italy), Materials Science and Technology dept. (prof. Pierluigi Bonora, prof. Flavio Defl orian) - Franchi & Kim Spa industrial manufacturing facilities, Brescia, (Italy).The products formulated with the nanoclays has been tested fi rst according to the following standards:

- ISO 2812 – 1: Chemical resistance- ISO 6270: Resistance to humidity- ISO 7253: Salt spray - ASTM 02794: Impact resistance- ASTM 4060-90: Abrasion resistance- ASTM 4541 Pull-Off Strength- Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) (Fig. 4)

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Table 3: Results of Salt Spray testing of NPC epoxy primer with and without the nano-additive.

Test of salt sprayAccording to ISO 9227

700 hours 1,000 hours Performance enhancement

Primer Epox NPC-01 withadditive NPC NP-02

no blistering no blistering +42%

Primer Epox NPC-01 withoutadditive NPC NP-02

no blistering Generalized blisteringand presence of rustaround the cutting point.Test not passed

For example, industrial tests for product certifi cation run by Franchi & Kim in 2011-2012 reveal on NPC products reveal that the product identifi ed for instance as Primer Epox NPC-01 is suited to be classifi ed accordingly to UNI EN ISO 12944-6 with corrosiveness class C4 H. Comparative industrial tests have been run on the same product with and without Nanto nanotechnology additive (NPC NP-02 ) with the solid content constant in weight and volume, as well as the pvc, the ratio binder/powders and the catalysis report.Tests highlighted an equivalent trend up to around 600 hours of exposure in salt spray according to ISO 9227, while later, as reported in the table below, the product with the nanotechnology additive showed a performance increase up to 40%, beyond 1,000 hours.

5

Applications of NPC Nanostructured Protective Coatings.

Applicazioni dei rivestimenti protettivi nanostrutturati NPC.

Ad esempio, test industriali di certificazione prodotto condotti da Franchi & Kim nel 2011-2012 sui prodotti NPC rivelano che il prodotto identificato ad esempio Primer Epox NPC-01, è adatto a essere classificato secondo la UNI EN ISO 12944-6 con la classe di corrosività C4 H. Test industriali com-parativi sono stati condotti sullo stesso prodotto NPC con e senza l’aggiun-ta dell’additivo nanotecnologico di Nanto (NPC NP-02) con contenuto di solido costante in peso e in volume, così come il pvc, il rapporto legante/polvere e il rapporto di catalisi.Come riporta la tabella sottostante, i test industriali hanno evidenziato una tendenza equivalente fra i due prodotti a resistere intorno alle 700 ore in nebbia salina secondo ISO 9227, mentre il prodotto con l’additi-vo nanotecnologico ha mostrato un incremento delle prestazioni fi no al 40%, oltre le 1.000 ore.

Tabella 3: Risultati delle prove di nebbia salina del primer epos-sidico NPC con e senza l’additivo nano tecnologico.

Antonio Amati:Tank lining and special coatings

Enzo Dell’Orto:Shot-blasting technologies

Vittorio Grassi:Thermal treatment

Ing. Angelo Locaspi:Fluorinated Coatings

Ing. Ilario Maconi:Materials Engineer, Nace inspector lev.2 - quality inspections of coatings

Prof. Massimiliano Bestetti:Department of Chemistry, Material and Chemical Engineering, Politecnico of Milan – Section of Applied Chemistry and Physics

Prof. Paolo Gronchi:Department of Chemistry, Material and Chemical Engineering, Politecnico of Milan – Chemical Engineering Section

Ivano Pastorelli:Measurement and quality control

Prof. Fabrizio Pirri:Department of Material Sciences and Chemical Engineering, Politecnico of Turin, Micro and Nanosystems, Nanomaterials and Surfaces

Ing. Luca Valentinelli:Materials Engineer, PhD, Nace inspector lev.3

M.d.L. Paolo Rami:Rail and Tram

Dr. Antonio Tolotto:Marine and industrial anticorrosivecoating cycles

EDITOR IN CHIEF/ DIRETTORE RESPONSABILEALESSIA VENTURI [email protected]

EDITORIAL DIRECTOR / DIRETTORE EDITORIALEMASSIMO [email protected]

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della corrosione


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