Luận văn Thạc sĩ Hóa học: Xác định đặc trưng hình thái và tính chất điện hóa của lớp sơn giàu kẽm sử dụng pigment bột hợp kim Zn-Al dạng vảy

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:83

Thêm vào BST

Báo xấu

42
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Hóa học "Xác định đặc trưng hình thái và tính chất điện hóa của lớp sơn giàu kẽm sử dụng pigment bột hợp kim Zn-Al dạng vảy" trình bày việc đánh giá độ bền của lớp sơn giàu kẽm thông qua việc xác định đặc trưng hình thái bề mặt, mặt cắt ngang và các tính chất điện hóa của lớp sơn giàu kẽm được chế tạo bằng pigment hợp kim Zn-Al dạng vảy. Qua đó, so sánh hiệu quả của lớp sơn giàu kẽm chế tạo bằng pigment hợp kim Zn-Al dạng vảy với lớp sơn giàu kẽm sẵn có trên thị trường (Resist 78) của hãng Jotun.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Hóa học: Xác định đặc trưng hình thái và tính chất điện hóa của lớp sơn giàu kẽm sử dụng pigment bột hợp kim Zn-Al dạng vảy

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Hứa Thị Trung Hiếu XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƢNG HÌNH THÁI VÀ TÍNH CHẤT ĐIỆN HÓA CỦA LỚP SƠN GIÀU KẼM SỬ DỤNG PIGMENT BỘT HỢP KIM Zn-Al DẠNG VẢY LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Hà Nội – 2021
BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Hứa Thị Trung Hiếu XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƢNG HÌNH THÁI VÀ TÍNH CHẤT ĐIỆN HÓA CỦA LỚP SƠN GIÀU KẼM SỬ DỤNG PIGMENT BỘT HỢP KIM Zn-Al DẠNG VẢY Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số: 8440118 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Phạm Đức Thịnh Hà Nội – 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Phạm Đức Thịnh, cùng sự giúp đỡ của các anh chị em trong phòng Nghiên cứu ăn mòn và Công nghệ điện hóa - Viện nghiên cứu và Ứng dụng công nghệ Nha Trang. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kì công trình nào khác . Hà Nội, ngày 7 tháng 5 năm 2021 Tác giả luận văn Hứa Thị Trung Hiếu
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành bản luận văn này, tôi đã nhận đƣợc rất nhiều sự giúp đỡ quý báu của các thầy cô giáo, các nhà khoa học thuộc nhiều lĩnh vực cùng đồng nghiệp và bạn bè. Đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Phạm Trung Sản đã tận tình hƣớng dẫn tôi trong những ngày đầu tiếp nhận đề tài, lập đề cƣơng định hƣớng nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Phạm Đức Thịnh đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành bản Luận văn này. Tôi chân thành cảm ơn đề tài mã số: VAST03.02/21-22 thuộc chƣơng trình các hƣớng Khoa học và Công nghệ ƣu tiên cấp Viện hàn lâm KHCNVN đã hỗ trợ kinh phí cho việc thực hiện Luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Học viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Ban Chủ nhiệm Khoa Hóa học và Phòng Đào tạo đã giảng dạy, tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi thực hiện luận văn và hoàn thành mọi thủ tục cần thiết. Tôi chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện về mọi mặt của Lãnh đạo Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang cũng nhƣ các anh chị em trong phòng Nghiên cứu ăn mòn và Công nghệ điện hóa trong quá trình thực hiện luận văn. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, ngƣời thân và bạn bè đã luôn quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn. Hà Nội, ngày 7 tháng 5 năm 2021 Tác giả luận văn Hứa Thị Trung Hiếu
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Ý nghĩa TP Thành phần SP Ani Sợi sulfonated polyaniline EDTA Ethylene diamine tetracetic acid SEM Kính hiển vi điện tử quét Scanning electron microscope Ecorr Điện thế ăn mòn KHCN Khoa học công nghệ TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam CNT Ống nanocacbon TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua Transmission Electron Microscope PDP Phân cực thế động Rf Điện trở màng Cf Điện dung màng Rp Điện trở phân cực PMMA Poli (methyl methacrylate) ASTM Hiệp hội thí nghiệm và vật liệu Hoa Kì effective adhesion Kết dính hiệu quả superhydrophobic Kị nƣớc
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1. Giá trị tổng trở điện hóa của các mẫu sơn với tỉ lệ mol SiO2/K2O 40 Bảng 3.2. Giá trị tổng trở điện hóa của các mẫu sơn với chất tạo màng được biến tính bằng nhựa Acrylic ở các tỉ lệ khác nhau ......................................... 43 Bảng 3.3. Thống kê hồi quy tương quan ảnh hưởng giữa tổng trở điện hóa và tỉ lệ Acrylic biến tính chất tạo màng. .............................................................. 44 Bảng 3.4. Phân tích thống kê số liệu tổng trở điện hóa theo hàm lượng nhựa Acrylic. ............................................................................................................ 44 Bảng 3.5. Độ bám dính của các mẫu sơn với hàm lượng nhựa acrylic ......... 46 Bảng 3.6. Giá trị tổng trở điện hóa của các mẫu sơn với hàm lượng hợp kim Zn-Al dạng vảy khác nhau............................................................................... 51 Bảng 3.7. Giới hạn phạm vi và mức biến đổi của các yếu tố ......................... 53 Bảng 3.8. Kết quả xác định hàm mục tiêu theo phần mềm qui hoạch thực nghiệm .............................................................................................................53 Bảng 3.9. Kết quả phân tích thống kê sự phù hợp của các yếu tố ................. 54 Bảng 3.10. Các điều kiện ràng buộc của yếu tố ảnh hưởng và hàm mục tiêu57 Bảng 3.11. Giải pháp tối ưu thuật toán đề nghị ............................................. 57 Bảng 3.12. Kiểm chứng kết quả theo mô hình và thực nghiệm ...................... 57 Bảng 3.13. Kết quả tối ưu hóa các thành phần trong hệ sơn. ........................ 58
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Sơ đồ quá trình ăn mòn thép ............................................................ 8 Hình 1.2. Phân loại sơn lót giàu kẽm ............................................................. 12 Hình 1.3. Bịt kín bề mặt kim loại không tiếp xúc với môi trường ăn mòn ..... 13 Hình 1.4. Cung cấp điện cực bảo vệ .............................................................. 13 Hình 1.5. Mô phỏng cấu trúc lớp phủ giàu kẽm; Zn là kẽm cầu, ZFP là kẽm vảy....... ............................................................................................................ 15 Hình 1.6. Công thức cấu tạo của Poly (methyl methacrylate) (PMMA)........ 15 Hình 1.7. Mô hình lớp phủ SiO2 -PMMA trên bề mặt thép không gỉ [18]..... 16 Hình 1.8. Giản đồ Nyquist của các mẫu với tỉ lệ mol SiO2/K2O khác nhau sau 120 ngày ngâm trong dung dịch nước muối 3,5 %. [23] ................................ 20 Hình 1.9. Ảnh SEM của các mẫu lớp phủ được biến tính bằng các hàm lượng nhựa acrylic khác nhau và mẫu lớp phủ với tỉ lệ mol SiO2/K2O = 5 /1 [23] . 20 Hình 1.10. Sơ đồ thiết bị đo thế điện cực theo thời gian ................................ 23 Hình 1.11. Biểu diễn hình học các phần tử phức............................................ 24 Hình 1.12. Giản đồ Nyquist ............................................................................ 25 Hình 1.13. Dải làm việc của các loại hiển vi điện tử và quang học .............. 26 Hình 2.1. Công thức cấu tạo Poly (methyl methacrylate) (PMMA) .............. 27 Hình 2.2. Sơ đồ các bước nghiên cứu của đề tài............................................ 28 Hình 2.3. Quy trình chế tạo mẫu sơn giàu kẽm với các tỉ lệ mol của chất tạo màng khác nhau .............................................................................................. 30 Hình 2.4. Quy trình chế tạo mẫu sơn giàu kẽm với các hàm lượng phụ gia khác nhau ........................................................................................................ 31 Hình 2.5. Quy trình chế tạo mẫu sơn giàu kẽm với các tỉ lệ pigment khác nhau................ ................................................................................................ 32 Hình 2.6. Sơ đồ bố trí hệ đo 3 điện cực trên máy Autolab P30. .................... 34
Hình 2.7. Chụp SEM bề mặt và mặt cắt ngang bằng thiết bị Jeol 6490. ....... 34 Hình 2.8. Cấu tạo thiết bị đo độ bám dính lớp phủ theo ASTM D4541 ........ 35 Hình 2.9. Mẫu sơn trong môi trường nước biển. ........................................... 36 Hình 2.10. Mẫu sơn đã rạch chữ X trong môi trường nước biển. ................. 37 Hình 3.1. Giản đồ Nyquist của các mẫu sơn với tỉ lệ mol SiO2/K2O khác nhau .........................................................................................................................40 Hình 3.2. Giản đồ Nyquist của các mẫu sơn với chất tạo màng được biến tính bằng nhựa Acrylic ở các tỉ lệ khác nhau......................................................... 42 Hình 3.3. Hình ảnh đo độ bám dính các mẫu sơn với với chất tạo màng được biến tính bằng nhựa acrylic ở các tỉ lệ khác nhau . ........................................ 46 Hình 3.4. Ảnh SEM bề mặt của các mẫu sơn với chất tạo màng được biến tính bằng nhựa Acrylic ở các tỉ lệ khác nhau. ................................................ 47 Hình 3.5. Bề mặt của các mẫu sơn với chất tạo màng được biến tính bằng nhựa Acrylic với các tỉ lệ khác nhau sau 2 tháng ngâm trong môi trường nước biển ( hàm lượng NaCl 3,5% )........... ............................................................. 49 Hình 3.6. Giản đồ Nyquist của các mẫu sơn với các hàm lượng hợp kim Zn-Al dạng vảy khác nhau............................................................................... 50 Hình 3.7. Giá trị từ thực nghiệm và từ mô hình dự đoán ............................... 56 Hình 3.8. Đồ thị dạng 3D bề mặt đáp ứng và đường đồng mức. ................... 56 Hình 3.9. Ảnh SEM của bột Zn hình cầu, hợp kim Zn-Al dạng vảy và a)lớp sơn chế tạo được và b)lớp sơn Jotun giàu kẽm ............................................... 58 Hình 3.10. Giản đồ Nyquist của a) mẫu sơn chế tạo được và b) mẫu sơn Jotun giàu kẽm. ............................................................................................... 60 Hình 3.11. Điện thế ăn mòn theo thời gian của (1) mẫu sơn chế tạo được và (2) mẫu sơn Jotun giàu kẽm ............................................................................ 61 Hình 3.12. Đường cong phân cực của a) Mẫu sơn Jotun giàu kẽm b) Mẫu sơn chế tạo ngâm khi trong môi trường nước biển (hàm lượng NaCl 3,5%)........ 62
Hình 3.13. Kết quả đo độ bám dính của: a) lớp sơn chế tạo được, b) lớp sơn Jotun giàu kẽm trên cùng loại thép nền . ........................................................ 63 Hình 3.14. Bề mặt của a) lớp sơn chế tạo được và b) lớp sơn Jotun giàu kẽm sau 2 tháng ngâm trong môi trường nước biển (hàm lượng NaCl 3,5%........64 Hình 3.15. Bề mặt của: a) lớp sơn chế tạo được và b) lớp sơn Jotun giàu kẽm đã rạch chữ X sau 14 ngày ngâm trong môi trường nước biển (hàm lượng NaCl 3,5 %) ..................................................................................................... 65
1 MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 4 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ........................................................................... 7 1.1. ĂN MÕN KIM LOẠI VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI ...................................... 7 1.1.1. Ăn mòn kim loại ............................................................................. 7 1.1.2. Phân loại ăn mòn ............................................................................. 8 1.1.3. Biện pháp bảo vệ chống ăn mòn ..................................................... 9 1.2. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ SƠN VÔ CƠ GIÀU KẼM ........................... 11 1.2.1. Khái quát chung ............................................................................ 11 1.2.2. Lịch sử phát triển của sơn vô cơ giàu kẽm ................................... 11 1.2.3. Phân loại ........................................................................................ 12 1.2.4. Hệ sơn lót giàu kẽm ...................................................................... 12 1.2.5. Chất tạo màng silicat ..................................................................... 14 1.2.6. Pigments ........................................................................................ 14 1.2.7. Phụ gia........................................................................................... 15 1.2.7.1. Nhựa acrylic nguyên chất dạng nhũ tương ........................... 15 1.2.7.2. Phụ gia phá bọt ...................................................................... 16 1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI................................................................................................... 18
2 1.3.1.Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc .................................................. 18 1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc.................................................. 22 1.4. CÁC PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐỘ BỀN ĂN MÕN MÀNG SƠN 22 1.4.1. Phƣơng pháp đo phân cực thế động đƣờng cong phân cực .......... 22 1.4.2. Phƣơng pháp đo tổng trở điện hóa ................................................ 23 1.4.3. Phƣơng pháp đo thế ăn mòn Ecorr theo thời gian ........................... 25 1.4.4. Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét SEM ........................................ 25 CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG, VẬT LIỆU, PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM .......................................................................... 27 2.1. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU ................................................................. 27 2.2. VẬT LIỆU ............................................................................................... 27 2.3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM ....................... 28 2.3.1. Các bƣớc nghiên cứu của đề tài .................................................... 28 2.3.2. Chuẩn bị mẫu thép nền ................................................................. 28 2.3.3. Chuẩn bị dung dịch sơn ................................................................ 29 2.3.4. Tiến hành tạo màng sơn ................................................................ 29 2.3.5. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến tính chất màng sơn ............... 29 2.3.5.1. Chế tạo mẫu sơn giàu kẽm với sự thay đổi tỉ lệ mol SiO2/K2O trong dung dịch chất tạo màng ....................................................................... 29 2.3.5.2. Chế tạo mẫu sơn giàu kẽm với sự thay đổi hàm lượng phụ gia biến tính chất tạo màng ................................................................................... 31 2.3.5.3. Chế tạo mẫu sơn giàu kẽm sự thay đổi hàm lượng hợp kim Zn- Al dạng vảy trong hệ sơn................................................................................. 32 2.3.6. Xác định các giá trị điện hóa của màng sơn ................................. 33 2.3.7. Xác định hình thái bề mặt và mặt cắt ngang màng sơn ................ 34 2.3.8. Xác định độ bám dính của màng sơn ............................................ 35
3 2.3.9. Đánh giá độ bền của màng sơn ..................................................... 36 2.3.10. Đánh giá khả năng bảo vệ catot của màng sơn ........................... 36 2.3.11. Thống kê trong hóa phân tích ..................................................... 37 2.3.11.1. Phân tích tương quan........................................................... 37 2.3.11.2. Phần mềm Design Expert .................................................... 38 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 40 3.1. KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG CỦA HÀM LƢỢNG CÁC THÀNH PHẦN SƠN ĐẾN TÍNH CHẤT ĐIỆN HÓA CỦA MÀNG SƠN ............................. 40 3.1.1. Khảo sát tỉ lệ mol SiO2/K2O trong dung dịch chất tạo màng khác khác nhau......................................................................................................... 40 3.1.2. Khảo sát hàm lƣợng nhựa Acrylic biến tính chất tạo màng ......... 42 3.1.2.1. Tổng trở điện hóa................................................................... 42 3.1.2.2. Độ bám dính ........................................................................... 45 3.1.2.3. Hình thái bề mặt..................................................................... 47 3.1.2.4. Độ bền lớp sơn trong môi trường nước biển ......................... 48 3.1.3. Khảo sát hàm lƣợng hợp kim Zn-Al dạng vảy trong hệ sơn ........ 50 3.1.4. Tối ƣu hóa các thành phần của hệ sơn .......................................... 52 3.2. HÌNH ẢNH CHỤP BỀ MẶT VÀ MẶT CẮT NGANG CỦA LỚP SƠN ......................................................................................................................... 58 3.3. TÍNH CHẤT ĐIỆN HÓA CỦA LỚP SƠN ............................................. 59 3.3.1. Tổng trở điện hóa của lớp sơn ...................................................... 59 3.3.2. Phân tích thế ăn mòn Ecorr theo thời gian ...................................... 60 3.3.3. Phƣơng pháp phân cực thế động (PDP) ........................................ 62 3.4. KẾT QUẢ ĐO ĐỘ BÁM DÍNH ............................................................. 63 3.5. ĐỘ BỀN CỦA LỚP SƠN TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC BIỂN ....... 64
4 3.6. KHẢ NĂNG BẢO VỆ CATOT CỦA LỚP SƠN TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC BIỂN ................................................................................. 65 CHƢƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................... 67 4.1. KẾT LUẬN .............................................................................................. 67 4.2. KIẾN NGHỊ ............................................................................................. 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 69 CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN ................. 73
5 MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, các nhà khoa học trong nƣớc đã có những kết quả nghiên cứu về hệ sơn phủ vô cơ giàu kẽm. Năm 2015, Nguyễn Thị Bích Thủy [1] đã chủ trì chƣơng trình KHCN cấp nhà nƣớc thuộc lĩnh vực “Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ vật liệu mới”. Và việc sử dụng lớp phủ bảo vệ trên bề mặt thép là một trong những phƣơng pháp bảo vệ chống ăn mòn phổ biến, hiệu quả đƣợc sử dụng rộng rãi, trong đó lớp phủ giàu Zn đƣợc coi là lớp phủ bảo vệ hiệu quả cho kết cấu thép do Zn có điện thế ăn mòn tiêu chuẩn âm hơn thép nên ngoài tính năng bảo vệ theo cơ chế che chắn lớp phủ này còn có chức năng bảo vệ theo cơ chế điện hóa. Hiện nay trong thành phần hầu hết các sản phẩm sơn giàu kẽm thì pigment bột Zn hình cầu đƣợc sử dụng là chủ yếu. Để đảm bảo tính bảo vệ điện hóa của lớp phủ, hàm lƣợng pigment Zn phải cao, thƣờng lớn hơn 77 %. Mặt khác vì hàm lƣợng cao nên rất khó để phân tán bột Zn trong dung dịch chất tạo màng một cách đồng nhất. Ngoài ra các hạt Zn dạng cầu có tỷ lệ diện tích bề mặt/trọng lƣợng thấp nên chúng có xu hƣớng tách hoặc lắng xuống dung dịch sơn dễ dẫn đến một số khuyết tật trong lớp phủ. Để khắc phục nhƣợc điểm trên nhiều nghiên cứu tập trung tìm kiếm giải pháp thay thế. Một trong những hƣớng đã thu hút sự đƣợc quan tâm của nhiều tác giả đó là sử dụng bột kẽm cấu trúc dạng vảy (lamellar hay flake) thay thế cấu trúc dạng cầu. Việc sử dụng pigment hợp kim Zn-Al không chỉ phát huy ƣu điểm khả năng bảo vệ catốt của Zn, tính thụ động của nhôm làm tăng độ bền lớp phủ đồng thời màu sắc cũng đẹp hơn. Tuy nhiên tính chất lớp phủ phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ tính chất vật liệu đầu vào, tỉ lệ phối trộn, phụ gia…vv. Vì vậy cần phải có phƣơng pháp đánh giá, xác định hiệu quả thực tế của lớp sơn phủ chế tạo đƣợc trong quá trình hoàn thiện công nghệ để đƣa vào áp dụng thực tế. Có nhiều phƣơng pháp xác định hiệu quả của lớp sơn phủ giàu kẽm nhƣ thử nghiệm tự nhiên, thử nghiệm gia tốc, các phƣơng pháp điện hóa hoặc kết hợp các phƣơng pháp trên. Phƣơng pháp điện hóa là phƣơng pháp phổ biến vì cho kết quả nhanh lại có thể mô tả một phần cơ chế của quá trình, rất
6 thích hợp cho quá trình nghiên cứu chế tạo và hoàn thiện công nghệ. Chính vì vậy, luận văn “Xác định đặc trƣng hình thái và tính chất điện hóa của lớp sơn giàu kẽm sử dụng pigment bột hợp kim Zn-Al dạng vảy”, đƣợc đề xuất thực hiện, nhằm đánh giá hiệu quả bảo vệ ăn mòn điện hóa của lớp sơn giàu kẽm sử dụng pigment bột hợp kim Zn-Al dạng vảy. Mục tiêu của luận văn: Đánh giá độ bền của lớp sơn giàu kẽm thông qua việc xác định đặc trƣng hình thái bề mặt, mặt cắt ngang và các tính chất điện hóa của lớp sơn giàu kẽm đƣợc chế tạo bằng pigment hợp kim Zn-Al dạng vảy. Qua đó, so sánh hiệu quả của lớp sơn giàu kẽm chế tạo bằng pigment hợp kim Zn-Al dạng vảy với lớp sơn giàu kẽm sẵn có trên thị trƣờng (Resist 78) của hãng Jotun. Từ mục tiêu trên, luận văn có những nội dung nghiên cứu sau: - Chế tạo mẫu sơn giàu kẽm với các tỉ lệ pigment, chất tạo màng và phụ gia khác nhau. - Khảo sát đặc trƣng hình thái và tính chất điện hóa của các lớp phủ. - Phân tích đánh giá hiệu quả bảo vệ của các mẫu sơn chế tạo nhằm đƣa ra tỉ lệ phối liệu thích hợp và so sánh với lớp sơn đối chứng.
7 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. ĂN MÕN KIM LOẠI VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI 1.1.1. Ăn mòn kim loại Ăn mòn kim loại là quá trình làm giảm chất lƣợng và tính chất của kim loại do tƣơng tác của chúng với môi trƣờng xâm thực. Ăn mòn kim loại là một phản ứng không thuận nghịch, xảy ra trên bề mặt giới hạn giữa vật liệu kim loại và môi trƣờng xâm thực, đƣợc gắn liền với mất mát hay tạo ra trên bề mặt kim loại một thành phần nào đó do môi trƣờng cung cấp [2]. Nếu xem hiện tƣợng ăn mòn kim loại xảy ra theo cơ chế điện hóa thì sự ăn mòn kim loại có thể đƣợc định nghĩa nhƣ sau: Ăn mòn kim loại là một quá trình xảy ra phản ứng oxi hóa khử trên mặt tiếp xúc giữa kim loại và môi trƣờng chất điện li với sự chuyển kim loại thành ion kim loại, đồng thời kèm theo sự khử một thành phần của môi trƣờng và sinh ra một dòng điện [2]. Do cấu trúc kim loại không đồng nhất, nên khi có mặt nƣớc và oxy thì trên bề mặt kim loại xuất hiện các pin tế vi cục bộ và kim loại sẽ bị ăn mòn. Quá trình ăn mòn kim loại xảy ra theo cơ chế điện hoá. Để sự ăn mòn xảy ra, phản ứng oxy hoá (sự hoà tan kim loại hoặc sự hình thành oxit) và phản ứng khử catot (nhƣ phản ứng khử ion hydro hoặc oxy) phải xảy ra đồng thời: Quá trình ăn mòn sắt xảy ra theo các phản ứng sau: Phản ứng anốt: Fe  Fe2+ + 2e Phản ứng catốt: O2 + 2H2O + 4e  4OH- Tổng quát: 2Fe + O2 + 2H2O  2Fe(OH)2 Do có mặt oxy trong không khí nên hydroxyt sắt (II) bị biến đổi thành gỉ sắt: 4Fe(OH)2 + O2  2Fe2O3.H2O + 2H2O Sơ đồ quá trình ăn mòn thép đƣợc đƣa ra trong hình 1.1
8 Hình 1.1. Sơ đồ quá trình ăn mòn thép 1.1.2. Phân loại ăn mòn + Theo cơ chế quá trình ăn mòn [2, 3, 4]: - Ăn mòn hóa học. - Ăn mòn điện hóa. + Theo điều kiện của quá trình ăn mòn: - Ăn mòn khí. - Ăn mòn khí quyển. - Ăn mòn trong chất điện giải. - Ăn mòn trong đất. - Ăn mòn do dòng điện ngoài. - Ăn mòn do tiếp xúc (ăn mòn galvanic). - Ăn mòn do vi sinh vật. + Theo đặc trƣng của dạng ăn mòn [2, 3, 4]: - Ăn mòn đều (thép cacbon trong dung dịch axit sunfuric). - Ăn mòn không đều (thép cacbon trong nƣớc biển).
9 - Ăn mòn chọn lựa (chỉ một pha bị phá hủy ví dụ gang trong axit) - Ăn mòn vết, tạo thành những vết dài trên bề mặt (đồng thau trong nƣớc biển). - Ăn mòn hố (ăn mòn trong đất). - Ăn mòn điểm, đƣờng từ 0,1 – 2 mm (thép không gỉ trong nƣớc biển). - Ăn mòn dƣới bề mặt. - Ăn mòn giữa các tinh thể (thép crom ở 5000C – 8000C). Luận văn này nghiên cứu hiện tƣợng ăn mòn điện hóa, điện cực anốt hy sinh là các hạt Zn-Al dạng vảy, chất nền kim loại (là kết cấu thép cần chống ăn mòn) đóng vai trò là điện cực catốt sẽ đƣợc bảo vệ. 1.1.3. Biện pháp bảo vệ chống ăn mòn Ăn mòn kim loại là một quá trình điện hoá. Bởi vậy có thể ngăn cản ăn mòn kim loại bằng cách ngăn chặn các phản ứng catot hoặc anot, hoặc bằng cách ngăn cản dòng ăn mòn trong chất điện phân. Ba phƣơng pháp này đƣợc gọi là ức chế catot, ức chế anot và ức chế điện trở [5].  Trong phản ứng catot tác nhân phản ứng là oxy và nƣớc. Thực nghiệm chứng tỏ rằng các màng sơn có độ dày bình thƣờng không thể ngăn cản hoàn toàn oxy và nƣớc thấm qua màng, có nghĩa là màng sơn không thể hiện tác dụng ức chế catot một cách triệt để.  Phản ứng anot là quá trình dịch chuyển ion kim loại vào chất điện phân kèm theo việc giải phóng điện tử lƣu lại trong kim loại. Có thể ức chế anot theo hai cách:  Cung cấp đầy đủ điện tử cho kim loại để ngăn cản các ion kim loại đi ra khỏi bề mặt. Điều này có thể đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng các màng sơn bảo vệ catot chứa các bột màu kim loại có thế ăn mòn thấp hơn thế ăn mòn của kim loại cần bảo vệ, nhƣ sơn giàu kẽm.
10  Sắt ở ngoài không khí thƣờng bị oxy hoá tạo thành màng oxyt, tuy nhiên do tính không đồng nhất về thành phần và cấu trúc cho nên ăn mòn kim loại vẫn tiếp tục xảy ra. Có hai nhóm bột màu có tác dụng ức chế ăn mòn, làm dày thêm, hoàn thiện thêm màng oxyt và ngăn cản quá trình ăn mòn. Nhóm thứ nhất là các oxyt kim loại nhƣ oxyt sắt, oxyt chì, oxyt kẽm ... và nhóm thứ hai là các bột màu có khả năng thụ động nhƣ bột cromat, photphat và molypdat.  Ức chế điện trở là cơ chế bảo vệ chung nhất đƣợc thực hiện bởi màng sơn. Khi phủ trên bề mặt kim loại, có nghĩa là đặt một điện trở vào mạch điện hoá, sự di chuyển ion kim loại từ bề mặt kim loại vào dung dịch chất điện ly bị ngăn cản. Do đó ăn mòn kim loại đƣợc ngăn cản hoặc ít nhất cũng giảm xuống giá trị thấp. Nói chung các tính chất bảo vệ của màng sơn đƣợc xác định bởi khả năng hoạt động điện hoá của nó, mà bản thân khả năng này phụ thuộc vào cấu trúc màng, bản chất các nhóm chức, độ dẫn ion, và khả năng thụ động của bột màu [6, 7]. Thông thƣờng hệ sơn phủ bảo vệ kim loại bao gồm ba lớp: lớp sơn lót, lớp sơn trung gian và lớp sơn phủ bên ngoài. Mỗi lớp có chức năng và yêu cầu kỹ thuật khác nhau tuỳ thuộc vào môi trƣờng ăn mòn. Trong thực tế, tuỳ theo mục đích sử dụng số lớp sơn có thể nhiều hoặc ít hơn. Chức năng chính của lớp sơn lót là ngăn cản ăn mòn kim loại. Một sơn lót lý tƣởng có các tính chất sau : - Thích hợp với phƣơng pháp và điều kiện sơn. - Tốc độ bay hơi dung môi thích hợp, đảm bảo sơn khô trong thời gian cho phép. - Bám dính tốt với bề mặt kim loại. - Độ bền cào xƣớc và va đập cao. - Đủ mềm dẻo để thích hợp với sự co giãn nhiệt của kim loại. - Phải có bề mặt tốt cho việc sơn các lớp tiếp theo.
11 - Khi sử dụng các bột màu ức chế ăn mòn, các bột màu này phải không độc hại và hàm lƣợng bột màu phải đủ. - Mức độ thẩm thấu nƣớc và oxy thấp. Lớp sơn phủ chịu tác dụng trực tiếp của môi trƣờng ăn mòn. Tùy theo bản chất của môi trƣờng ăn mòn và loại sơn lót hoặc loại sơn trung gian sử dụng, ngƣời ta lựa chọn loại sơn phủ thích hợp. Màng sơn phủ phải bám dính tốt với sơn lót hoặc sơn trung gian, bền trong môi trƣờng ăn mòn. Bên cạnh tính chất bảo vệ chống ăn mòn, màng sơn phủ còn có chức năng trang trí bên ngoài cho kết cấu cần bảo vệ. 1.2. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ SƠN VÔ CƠ GIÀU KẼM 1.2.1. Khái quát chung Sơn lót giàu kẽm với chất tạo màng vô cơ đã đƣợc sử dụng trong cách đây khoảng 40 năm. Trong hợp phần có chứa 80 – 95% khối lƣợng bột kẽm. Chất tạo màng vô cơ đƣợc sử dụng là kiềm silicat hoặc alkyl silicat, các chất này có thể phản ứng với các hạt kẽm trong màng phủ để hình thành nền kẽm silicat bao quanh các hạt kẽm. Đồng thời, chất tạo màng trên cơ sở silicat có thể phản ứng hoá học với nền thép. Kết quả tạo ra sự bám dính tuyệt vời với nền thép và khả năng chịu mài mòn của màng sơn khô tốt. Trong đó chất tạo màng trên cơ sở alkyl silicat là loại chất tạo màng đƣợc sử dụng phổ biến trong những năm gần đây[8]. 1.2.2. Lịch sử phát triển của sơn vô cơ giàu kẽm Các lớp phủ kẽm vô cơ lần đầu tiên đƣợc thử nghiệm bởi Victor Nightingall ngƣời Öc vào những năm 1940. Ông đã tiến hành trộn bột kẽm với natri silicat để tạo ra một lớp phủ thay thế lớp mạ, đồng thời tiến hành các thí nghiệm sử dụng các loại phụ gia để tạo ra các lớp phủ vô cơ có tuổi thọ cao và có khả năng chống ăn mòn tốt. Loại lớp phủ vô cơ đƣợc thử nghiệm đầu tiên tại đƣờng ống Morgan Wyalla với màng phủ đƣợc bảo đảm trong 20 năm. Tiếp đó, kế thừa và phát triển các thành tựu về các lớp phủ kẽm vô cơ, vào những năm 1950 ngƣời Mỹ đã tiến hành các nghiên cứu để phát triển loại sản phẩm này [9,10].