Lịch sử hình thành và phát triền của quá trình photphat hóaSTT NămTiến bộ được thực hiện / quá trình phát triển1 1906 Photphat sắt thép sử dụng axit photphoric và mạt sắt2 1908 Xử lý lớp
TỔNG QUAN VỀ PHOTPHAT HÓA
Lịch sử hình thành quá trình photphat hóa
Bảng 1 Lịch sử hình thành và phát triền của quá trình photphat hóa
STT Năm Tiến bộ được thực hiện / quá trình phát triển
1 1906 Photphat sắt thép sử dụng axit photphoric và mạt sắt
2 1908 Xử lý lớp phủ photphat với tác nhân oxy hóa để giảm thời gian quy trình
3 1909 Xây dựng bể phủ photphat chịu được nhiệt độ cao
4 1911 Quá trình mangan phủ photphat ở nhiệt độ cao
5 1928 Công nhận lớp phủ photphat như công nghệ sơn
6 1929 Sử dụng các tác nhân đồng xúc tiến cho quá trình phủ
7 1933 Sử dụng các tác nhân oxy hóa để tăng tốc cho quá trình phủ
8 1934 Sử dụng lớp phủ photphat cho việc giảm nhiệt kim loại
9 1940 Phát triển công nghệ photphat hóa nguội.
10 1941 Photphat bề mặt nhôm sử dụng kẽm photphat và florua.
11 1950s Lớp phủ mangan được sử dụng và ứng dụng rỗng rãi
12 1960s Sử dụng các phụ gia đặc biệt để kiểm soát trọng lượng lớp
13 1960s Quá trình phun phủ ở nhiệt độ 25-30 C o
14 1970s Cải thiện chất lượng lớp phủ, sử dụng các chất tẩy rửa phun dựa trên công nghệ bề mặt.
Khái niệm
Photphat hóa là một phương pháp gia công bề mặt kim loại được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp để xử lý bề mặt kim loại, được coi là một trong những phương pháp chuẩn bị bề mặt kim loại tốt nhất trước khi sơn phủ hoặc nhúng dầu mỡ nhằm bảo vệ các chi tiết kim loại đen.
Màng photphat hoá chuyển hoá bề mặt kim loại thành một lớp bề mặt mới không còn tính dẫn điện và tính kim loại, có khả năng chống ăn mòn Nhờ các tính chất đó người ta tạo ra công nghệ photphat hoá để sử dụng trong các nhà máy xử lý bề mặt kim loại.
Tính chất của lớp màng photphat hóa
1.3.1 Cấu trúc và thành phần
Lớp phủ photphat tạo thành trên thép, kẽm, thép-kẽm, nhôm và các kim loại tương tự có cấu trúc tinh thể với kích thước tinh thể trong khoảng vài đến 100 micromet Thành phần lớp phủ photphat phụ thuộc vào phương pháp phủ (phun hoặc nhúng), độ khuấy của bể photphat, chất gia tốc và sự có mặt của các ion kim loại khác Lớp phủ này bao gồm oxit và photphat của kim loại được xử lý Quá trình hình thành lớp phủ photphat bắt đầu bằng sự tạo thành một lớp tinh thể, sau đó lớp tinh thể photphat tích tụ nhanh chóng trên lớp này.
Số lượng tinh thể sinh ra về cơ bản là không đổi theo thời gian bởi vì quá trình tạo mầm và phát triển mầm chỉ diễn ra ở một số khu vực nhất định.
Hầu hết mọi người cho rằng sự hình thành lớp phủ photphat tuân theo cơ chế vị trí hoạt động, tức là chỉ một tỷ lệ nhỏ trên bề mặt, tham gia vào quá trình tạo mầm Các nghiên cứu trên thép photphat kẽm, đã chỉ ra rằng quá trình hình thành và phát triển lớp photphat xảy ra trong ba giai đoạn:
- Giai đoạn 1: Tùy thuộc vào quá trình photphat kẽm, các tinh thể tiểu cầu 10 - 10 4 6 tinh thể/cm được hình thành trên bề mặt Chúng được định hướng ngẫu nhiên trên nền 2 thép; một số song song, một số dọc và một số khác nghiêng theo một góc nào đó Những tiểu cầu, không được gắn song song với bề mặt có hình dạng giống như những cây kim Giai đoạn đầu tiên, những tinh thể phát triển chủ yếu ở bên trên bề mặt chất nền
Giai đoạn 2 của quá trình hình thành tinh thể liên quan đến sự phát triển của những mầm tinh thể trên bề mặt của tinh thể đầu tiên đã lắng đọng song song với bề mặt Quá trình phát triển của mầm tinh thể này thường hướng theo chiều thẳng đứng, tạo nên các tinh thể có hình dáng giống như cây kim.
Giai đoạn 3 đánh dấu sự hình thành lớp kẽm photphat mỏng xuất phát từ các tinh thể ban đầu Quá trình phát triển lớp kẽm photphat là yếu tố quyết định đối với lớp nền Riêng với những lớp phủ dùng để giữ dầu và làm nền cho chất bôi trơn tạo hình ở nhiệt độ thấp, quá trình phát triển này còn diễn ra theo chiều dọc Các yếu tố như thành phần bể photphat, nhiệt độ và phương pháp chuẩn bị bề mặt ảnh hưởng đến xu hướng phát triển và kích thước tinh thể Các tinh thể có hình dạng đa dạng (tấm, kim, hạt), kích thước từ vài đến hàng chục micromet.
Bảng 2: Thành phần lớp phủ photphat trên nền sắt, kẽm, nhôm.
(Fe hureaulite) FePO 2H4 2O (strengite) Zn2Fe(PO 4H O4)2 2
Lớp phủ photphat có màu xám sẫm ánh xanh lục, có cấu tạo tinh thể, cách điện tốt, ớt hoặc khụng giũn Kớch thước tinh thể dao động từ 1àm (đối với lớp phủ mỏng) cho đờn80-100àm (đối với lớp phủ dày) Tựy theo thành phần và điều kiện photphat húa mà lớp phủ photphat có khối lượng từ 0.8-80 g/m , khối lượng riêng dao động trong khoảng 0,9 – 2 2,5 g/cm 3
1.3.3 Độ bền của lớp phủ
Trong sản xuất, tỉ số P/(P+H) được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ tia X được sử dụng như một tiêu chuẩn để kiểm tra chất lượng lớp phủ Tỉ số này càng lớn, lớp phủ càng bền.
Do có thành phần chủ yếu là các photphat kim loại ngậm nước nên lớp phủ photphat bị phân hủy ở nhiệt độ cao Độ bền nhiệt của lớp phủ tăng dần theo thứ tự sau: lớp phủ giàu hopeite, lớp phủ giàu phosphophyllite. Độ bền nhiệt của các tinh thể hydrat photphat ngậm nước phụ thuộc vào áp suất riêng phần trên bề mặt lớp phủ do đó độ bền nhiệt của lớp photphat sẽ tăng lên khi trên bề mặt lớp phủ có một lớp dầu hoặc sơn bảo vệ.
Lớp phủ photphat dễ tan dưới tác dụng của dung dịch kiềm, axit, chất tạo phức.
Ứng dụng
Ứng dụng phổ biến nhất của nó trong thực tiễn là tăng tính chống ăn mòn, kéo dài tuổi thọ màng sơn phủ Nếu nền kim loại khá trơ với các vật liệu sơn phủ thì lớp photphat hoá tạo ra lớp màng có nhiều lỗ xốp bám rất chắc với nền kim loại Lớp này lại "thấm" sơn và như thế tạo thành lớp phủ đặc chắc gắn rất tốt với nền Trong trường hợp này chức năng của màng photphat hoá là:
• Liên kết với nền kim loại
• Lớp nền của màng sơn
• Làm tăng độ bền bám của màng sơn
• Chống ăn mòn dưới lớp sơn Ở các nước công nghiệp phát triển, việc xử lí bề mặt kim loại trước khi sơn phủ là việc làm theo tiêu chuẩn bắt buộc để tăng cường độ bám của màng sơn cũng như tăng cường khả năng bảo vệ của màng trong điều kiện khí quyển Màng photphat của các kim loại nặng như kẽm, sắt, mangan được sử dụng phổ biến Cụ thể:
• Trong ngành sơn tĩnh điện: sử dụng để xử lí bề mặt sắt thép trước khi đưa vào sơn tĩnh điện.
• Trong lĩnh vực xây dựng công trình: sử dụng biến tính gỉ, tạo lớp bám lên cốt thép cho bê tông, xử lí bề mặt sắt thép với các kết cấu như dầm, xà, xiên hoa, cửa sắt …
• Trong lĩnh vực chế tạo máy móc thiết bị: lớp photphat hỗn hợp sắt-kẽm tương đối mỏng trên nền sắt được xem như là tiêu chuẩn bắt buộc cần phải có trước khi sơn thùng xe ô tô, khung xe máy, máy giặt, tủ lạnh,
• Trong các lĩnh vực khác: do khả năng tạo lỗ xốp trên bề mặt nên photphat hóa cũng có thể được sử dụng cho các bề mặt sắt thép cần lớp phủ bảo vệ khác (dầu, mỡ, chất bôi trơn, sơn, cromat hóa…) Ngoài ra, lớp photphat còn có ứng dụng đặc biệt khác như trong công nghệ kéo dây, dùng lớp photphat để tăng độ trơn, chống tắc nghẽn (khi đó lớp photphat phải dày và được tẩm dầu hay mỡ bảo vệ).
CƠ CHẾ HÌNH THÀNH LỚP PHỦ
Cân bằng trong dung dịch photphat hóa
Trong dung dịch photphat hóa tồn tại các cân bằng sau:
3M(H PO )2 4 2 ⇌ 3MHPO + 3H4 3PO4 (1) 3MHPO4 ⇌ M3(PO )4 2 + H3PO4 (2) 3M(H PO )2 4 2 ⇌ M3(PO4)2 + 4H3PO4 (3) Các cân bằng này bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ cũng như pH của dung dịch Ở nhiệt độ càng cao thì cân bằng (3) càng chuyển dịch mạnh về bên phải.
Khi kim loại tiếp xúc với dung dịch photphat hóa phản ứng giữ kim loại và dung dịch xảy ra:
M + H3PO4 → M(PO4)2 + H2 (4) Phản ứng này làm giảm nồng độ axit trong dung dịch từ đó làm cân bằng của (2) và
(3) dịch chuyển về phía tạo kết tủa photphat trên bề mặt kim loại.
Động học của quá trình tạo lớp phủ
Quá trình hình thành lớp phủ phốt phát trên bề mặt kim loại phụ thuộc vào yếu tố động lực học và động học, bao gồm tốc độ hòa tan kim loại nền, tốc độ tạo mầm tinh thể, tốc độ phát triển tinh thể và tốc độ khuếch tán các ion trong dung dịch.
Phản ứng trung hòa trên bề mặt kim loại làm giảm nồng độ axit tại lớp dung dịch gần bề mặt kim loại, tạo ra lớp dung dịch quá bão hòa các photphat kim loại khó tan Quá trình hình thành photphat chỉ xảy ra khi có đủ mầm tinh thể kết tinh tại lớp tiếp xúc giữa kim loại và dung dịch Trong quá trình kết tủa, lớp tinh thể photphat phát triển theo trật tự nhất định do bề mặt kim loại quy định.
Quá trình hình thành lớp phủ chia làm 4 giai đoạn:
• Giai đoạn phát triển mầm.
• Giai đoạn tăng nhanh khối lượng màng.
• Giai đoạn kết thúc quá trình tạo màng.
Trong giai đoạn đầu, quá trình hòa tan kim loại diễn ra, pH dung dịch tăng dần đến điểm trung hòa, nồng độ của các phần tử tạo lớp phủ ở lớp dung dịch sát bề mặt bề mặt kim loại dần dần trở nên quá bão hòa Ngay khi trạng thái quá bão hòa giả bền bị phá vỡ, quá trình hình thành mầm tinh thể được phát triển, giai đoạn kết tinh thứ hai xảy ra Lúc này quá trình hòa tan kim loại và phát triển tinh thể xả ra song song với nhau Khối lượng lớp phủ được tăng nhanh Tùy theo từng điều kiện cụ thể quá trình này có thể nhanh chóng dừng lại hay được tiếp tục trong một khoảng thời gian nữa Sau đó, quá trình tạo lớp phủ sẽ chậm dần và chấm dứt khi bề mặt của kim loại được che phủ bởi lớp tinh thể làm cho phản ứng hòa tan không thể xảy ra.
Thuyết điện hóa về quá trình hình thành lớp phủ:
Quá trình photphat hóa có thể được coi là một quá trình điện hóa Khi tiến hành photphat hóa bề mặt kim loại, giai đoạn đầu là giai đoạn hòa tan anot theo phương trình phản ứng:
M→M 2+ + 2e - Trong khi đó ở catot xảy ra quá trình nhận electron của H +
Phần lớn diện tích bề mặt của kim loại đóng vai trò anot trong khi vùng catot giới hạn trong các vùng biên của các hạt tinh thể, các hạt oxit còn sót trên bề mặt kim loại Quá trình ăn mòn xảy ra nhanh tạo thành một lượng lớn ion kim lại tại lớp dung dịch sát vùng anot Cùng lúc, một lượng tương đương ion H bị khử thành H tại catot làm giảm + 2 nhanh nồng độ H tại vùng này Tốc độ của quá trình khuếch tán H từ lớp dung dịch + + ngoài vào cũng như quá trình khuếch tán của ion kim loại từ lớp dung dịch bên trong ra không theo kịp tốc độ hòa tan kim loại và khử H dẫn đến việc kết tủa photphat kim loại + trên bề mặt của các vùng catot (Lý thuyết này được kiểm định thông qua quá trình kiểm định hóa bề mặt kim loại trong quá trình photphat hóa bằng dòng điện bên ngoài: sự phân cực catot làm tăng tốc độ hình thành lớp phủ trong khi sự phân cực anot làm tăng lượng kim loại hòa tan nhưng không làm tăng tốc độ hình thành lớp phủ).
Quá trình hình thành lớp phủ photphat được thể hiện qua sơ đồ sau:
Hình 1: Quá trình hình thành lớp phủ photphat
Phản ứng điện cực cần thiết cho sự tạo thành lớp phủ sẽ chậm dần khi lớp phủ phát triển do lớp phủ photphat có tính chất cách điện làm giảm cản quá trình khử H tại catot + và quá trình hòa tan kim loại anot Nói cách khác, quá trình hình thành lớp phủ photphat hóa là quá trình hòa tan kim loại tại anot Nói cách khác, quá trình hình thành lớp phủ photphat hóa là quá trình tự thụ động hóa bề mặt kim loại Quá trình này thể hiện qua việc dịch chuyển thể hiện cực dần về phía anot trong quá trình photphat hóa Sự biến đổi thế điện cực của thép nền trong quá trình photphat hóa được Ghali và Potvin mô tả qua sơ đồ:
Hình 2: Biến đổi thế điện cực của nền thép trong quá trình photphat hóa
Theo sơ đồ này, bề mặt thép sẽ thụ động hóa dần khi lớp phủ photphat hóa phát triển Quá trình phát triển màng photphat, theo Ghali và Potvin, diễn ra theo bốn giai đoạn.
• Sự tấn công điện hóa trên bề mặt thép
• Tạo kết tủa vô định hình
• Kết tinh và phát triển tinh thể
• Sắp xếp lại tinh thể.
Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành và tính chất lớp phủ
Có thể chia các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành và tính chất của lớp phủ photphat thành hai nhóm chính:
Nhóm yếu tố nhiệt động học: ảnh hưởng đến quá trình cân bằng trong dung dịch khi quá trình photphat hóa xảy ra bao gồm: Thành phần dung dịch photphat hóa, bản chất kim loại nền, …
Nhóm yếu tố động học: ảnh hưởng đến tốc độ hình thành lớp phủ bao gồm: sự khuếch tán trong dung dịch, các quá trình xử lý bề mặt kim loại, các chất xúc tiến và các chất ức chế.
2.3.1 Bản chất kim loại nền
Kim loại bền chỉ có thể được photphat hóa khi thỏa mãn các điều kiện:
Có tốc độ hòa tan đủ lớn trong dung dịch photphat hóa, đảm bảo cho việc hình thành mầm tinh thể.
Ion kim loại hòa tan vào dung dịch không gây ảnh hưởng xấu đến quá trình hình thành và phát triển của tinh thể photphat.
Các kim loại như sắt, kẽm, cadimi, nhôm và magie thỏa mãn các yêu cầu trên Trong số đó sắt tráng kẽm và các hợp kim của sắt là đối tượng quan trong nhất của công nghiệp photphat hóa. Đối với thép, tất cả các loại thép không chứa hợp kim hoặc có thành phần hợp kim (loại trừ C) nhỏ hơn 5% đều có thể được photphat hóa.
Tất cả các vật liệu chứa kẽm như thép mạ kẽm, hợp kim kẽm với một lượng nhỏ đồng hoặc titan đều có thể được photphat hóa.
Việc photphat hóa nhôm gặp nhiều khó khăn do tốc độ hòa tan nhôm vào dung dịch khá chậm Tốc độ hòa tan chỉ được cải thiện khi trong dung dịch photphat hóa có thêm ion F và Al cao trong dung dịch gây ảnh hưởng xấu đến sự hình thành tinh thể - 3+ photphat.
Hình thành màng phôtphat là quá trình phán ứng thu nhiệt, nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ phản ứng tạo màng photphat, khi phôtphat hóa ở nhiệt độ trung bình và thấp cần phải có trợ giúp chất xúc tiến.
2.3.3 Thành phần của dung dịch photphat hóa
2.3.3.1 Độ axit của dung dịch photphat hóa:
Phản ứng hòa tan kim loại trong quá trình photphat hóa không chỉ là bước khởi đầu cho sự tạo thành lớp phủ mà còn quyết định đến tính chất của lớp phủ Quá trình tấn công của axit tạo ra trên bề mặt kim loại sạch khỏi các tạp chất như bụi đất, dầu mỡ và gỉ sét, đồng thời làm nhám bề mặt kim loại giúp cho lớp phủ chắc hơn.
Khả năng và tốc độ hòa tan kim loại của dung dịch photphat hóa phụ thuộc chặt chẽ vào độ axit tự do của dung dịch đó Nồng độ axit tự do càng cao, tốc độ hòa tan kim loại nền càng lớn và thời gian trung hòa lớp dung dịch sát bề mặt kim loại cũng kéo dài hơn.
Bên cạnh axit tự do, nồng độ axit tổng cộng trong dung dịch có vai trờ quyết định đến khả năng tạo tinh thể photphat Nồng độ axit tổng cộng càng cao, trạng thái dung dịch quá bão hòa càng dễ đạt tới, tinh thể photphat càng dễ tạo thành.
Trong thực tế giá trị độ axit tự do và độ axit tổng cộng biến thiên trong một phạm vi rất rộng tùy theo điều kiện photphat hóa cụ thể Axit tự do trong khoảng 1,0 đến 10,0; axit tổng cộng trong khoảng 10,0 đến 40,0.
Trong thực tế, quá trình tấn công của dung dịch photphat hóa lên bề mặt kim loại thường bị chậm do quá trình phân cực gây ra bởi sự hình thành các bọt khí hidro tại các vùng catot Để khắc phục hiện tượng này, ngoài việc sử dụng các biện pháp như tăng khả năng khuếch tán, tiền xử lý kim loại với các dung dịch như muối titan photphat, dung dịch photphat hóa thường được thêm vào các thành phần có tác dụng khử phân cực: gọi là các chất xúc tiến. Đa số các chất xúc tiến hoạt động theo cơ chế oxy hóa, có nghĩa là chúng đóng vai trò tác nhân tấn công bề mặt kim loại thay cho H , từ đó loại bỏ được quá trình hình + thành H Các chất xúc tiến thông dụng là các muối nitrat, nitrit, clorat, các hợp chất nitro2 hữu cơ, hidro peroxit (H2O2), các peroxit hữu cơ.
Trong trường hợp photphat hóa trên bề mặt thép, các phản ứng ăn mòn bề mặt kim loại dưới tác động của các chất xúc tiến có dạng như sau:
Trong một số trường hợp, phản ứng oxy hóa có thể xảy ra xa hơn, tạo Fe 3+ 2Fe +2H +NO 2+ + 2 - → Fe + NO+H O 3+ 2
Các phản ứng trên cho thấy khi có mặt của chất xúc tiến, H được sử dụng vào mục + đích trung hòa do đó không có sự hình thành H Bên cạnh đó khi sử dụng các chất xúc 2 tiến là nitrat hay nitrit thì lượng H bị trung hòa cho mỗi mol sắt bị hòa tan nhiều hơn + trong trường hợp không sử dụng chất xúc tiến hay khi sử dụng xúc tiến là H2O2 và Clorat, điều này cho thấy sự ưu việt của nitrit và nitrat trong vai trò xúc tiến cho quá trình photphat hóa.
Các ion kim loại nặng như Cu2+ và Ni2+ được sử dụng làm chất xúc tiến trong quá trình photphat hóa Những ion này bị khử tạo thành các hạt kim loại rất nhỏ trên bề mặt kim loại nền Sự hình thành các cặp vi pin giữa các hạt kim loại này và kim loại nền thúc đẩy quá trình hòa tan kim loại nền, qua đó tăng tốc độ photphat hóa.
Ngoài các chất xúc tiến trên cơ sở oxi hóa, một số xúc tiến hoạt động theo cơ chế thụ động quá trình anot (quá trình hòa tan kim loại) để tăng tỷ lệ diện tích catot/anot cũng được sử dụng Trong số này hydroxylamine sulfat được ứng dụng nhiều nhất Chất xúc tiến này cho phép tạo được lớp phủ photphat ở nhiệt độ thấp hơn bình thường Các chất xúc tiến như dextrose, galactose, urea, poly acrylate…cũng được sử dụng hiệu quả. 2.3.4 Quá trình tiền xử lý: Để thúc đẩy quá trình hình thành lớp phủ trên bề mặt kim loại, trước khi photphat hóa, bề mặt kim loại thường xử lý bằng các dung dịch có khả năng tạo thành các tâm kết tinh (mầm tinh thể) Quá trình này được gọi là quá trình tiền xử lý, các dung dịch thường được sử dụng bao gồm: dung dịch muối đồng, photphat titan, photphat natri, …
Xử lý bề mặt kim loại trước khi photphat hóa bằng các dung dịch muối nitrit cũng cho lớp phủ đều và mịn do nồng độ chất oxi hóa cao tại lớp dung dịch sát bề mặt kim loại sẽ thúc đẩy quá trình ăn mòn bề mặt kim loại do tác dụng khử phân cực, dẫn đến việc mau đạt được độ bão hòa của lớp dung dịch sát bề mặt kim loại thúc đẩy quá trình tạo mầm tinh thể Tiền xử lý bằng dung dịch axit oxalic cũng cho kết quả tương tự do axit oxalic có tác dụng ăn mòn nhẹ làm hoạt hóa bề mặt kim loại.
QUY TRÌNH KĨ THUẬT
Làm sạch
Bao gồm gia công cơ, tẩy dầu mỡ, tẩy gỉ.
Yêu cầu quan trọng nhất để hình thành lớp phủ tốt là bề mặt chất nền cần sạch, không dính dầu mỡ hay nhiễm tạp bẩn Tác nhân làm sạch lí tưởng cần có khả năng loại bỏ tạp bẩn khỏi bề mặt kim loại và ngăn cản sự kết tủa hay sự hình thành các sản phẩm
Sấy khô phụ Có nhiều phương pháp làm sạch: thổi cát, tẩy nhúng, tẩy hơi dung dịch kiềm và dung dịch tẩy gỉ.
Phun cát là phương pháp làm sạch cơ học mang lại hiệu quả cao tuy nhiên khá đắt và chỉ được dùng khi không thể sử dụng các phương pháp hóa học.
Dung môi hữu cơ mặc dù được sử dụng rộng rãi để làm sạch kim loại nền nhưng có nhiều nhược điểm như độc hại, dễ cháy và cần sử dụng với lượng lớn dẫn đến hiệu quả kinh tế không cao Tẩy hơi là phương pháp thay thế hiệu quả nhờ ưu điểm chỉ sử dụng một lượng nhỏ dung môi nhưng có thể làm sạch liên tục.
Dung dịch kiềm: đây là phương pháp loại bỏ dầu mỡ hay sáp một cách hiệu quả và kinh tế Chúng có thể được sử dụng chung với chất hoạt động về mặt hoặc dung môi hydrocacbon đã được nhũ hóa Dung dịch kiềm có thể làm sạch đặc biệt tốt khi ở nhiệt độ cao (khoảng 79 C) Ưu điểm của dung dịch kiềm là không độc hại, không bắt lửa, tuy o nhiên cần chú ý đến sự ăn mòn của kiềm đến da và vải.
Dung dịch tẩy gỉ thường được sử dụng là axit HCl, H 2 SO 4 , H 3 PO 4 Dung dịch axit HCl, H2SO4 loãng (5-10% khối lượng) với sự có mặt của chất ức chế, dùng để loại bỏ các tạp chất vô cơ bằng cách chuyển chúng về dạng muối tan Dung dịch H 2 SO 4 thường được thực hiện ở nhiệt độ cao (khoảng 60 C) Dung dịch H o 3 PO 4 được kiểm chứng rằng có thể loại bỏ cả chất rắn hữu cơ và vô cơ có mặt trên bề mặt kim loại đồng thời nó gây ra sự ăn mòn hóa học trên bề mặt bằng cách phản ứng với bề mặt để tạo ra bề mặt dễ hấp thu trên phương diện cơ học và hóa học cho sự hình thành lớp phủ tiếp theo Tẩy gỉ điện phân có thể thay thế cho tẩy gỉ hóa học Đây là phương pháp làm sạch nhanh thông qua việc làm tăng lượng khí H sinh ra dẫn đến sự khuấy trộn tốt hơn.2
Hoạt hóa bề mặt
Hoạt hóa bề mặt: hoạt hóa trong dung dịch axit oxalic 0.5% hoặc NiSO 1% hoặc 4 dung dịch Na2PO4 1-2%, titan oxit 0,01% Hoạt hóa cho lớp photphat có độ xốp thấp,
Rửa
Đây là bước có vai trò quan trọng ngay sau quá trình làm sạch Việc rửa tránh sự mang theo các chất hóa học của quá trình làm sạch trước đó làm bẩn bề mặt ở giai đoạn sau.
Photphat hóa
Bề mặt sau khi làm sạch sẽ được photphat hóa, hình thành lớp photphat rắn không tan và có khả năng chống ăn mòn trên bề mặt chất nền Nhiều thành phần cấu tạo nên lớp photphat có sẵn Tuy nhiên việc lựa chọn thành phần và điều kiện vận hành của bể photphat cần dựa trên các đặc tính của vật liệu Thành phần cơ bản cho quá trình photphat hóa là dung dịch axit photphoric loãng, có chứa ion kim loại kiềm hoặc ion kim loại nặng, ngoài ra còn các chất xúc tiến.
Có hai cách phân loại cho dung dịch photphat:
Cách 1: Tùy vào nhiệt độ tiến hành ta chia thành nhiệt độ cao và nhiệt độ thường.
Tùy theo đặc tính của kim loại mà ta sẽ thiết lập thành phần chính của dung dịch photphat Các thành phần chính thường được sử dụng là kẽm, mangan và sắt Mỗi kim loại sẽ tạo ra lớp phủ có đặc tính khác nhau, cụ thể như trong bảng 3.
Bảng 3 Thành phần và chế độ công nghệ photphat hóa ở nhiệt độ cao
(g/l) và chế độ công nghệ 1 2 3 4 5 xFe(H PO ).yMn(H P2 4 2
Là phương pháp sử dụng truyền thống Bột sơn được tích điện (-), vật sơn được nối đất (+) Dưới điện áp 40-100kV, tại vòi phun xảy ra sự ion hóa không khí Các ion tự do sẽ tích điện (-) cho bột sơn theo tỉ lệ nhất định trước khi phun vào nền.
Lực hút tĩnh điện tạo ra lớp màng bám trên vật sơn, bột được giữ lại đến khi chảy ra dưới tác động tạo màng trên nền Các hạt bột không được tích điện sẽ thu hồi và tái sử dụng.
Các ion (-) tự do thừa nhanh chóng di chuyển đến nền (+) Tùy vào điện áp ban đầu, vật sơn sẽ trung hòa điện, nếu lượng ion (-) ở nền (+) quá lớn sẽ xảy ra sự ion hóa ngược.
Hạt sơn tích điện chuyển động theo đường sức từ Mật độ đường sức từ cao nhất nằm ở bên ngoài bề mặt, tạo ra một lực hút mạnh hơn ở bên ngoài so với bên trong Bên trong vùng có ít đường sức từ hơn, dẫn đến lực hút yếu hơn.
Màng sơn không đồng đều về độ dày, còn gọi là hiện tượng Faraday-cage.
2.2 Tích điện do ma sát.
Sự tích điện (+) xảy ra do ma sát của các hạt khi chuyển động trong nòng súng phun Không cần điện áp cao, có thể tạo ra các ion tự do hoặc tạo ra điện trường Hiệu quả ma sát phụ thuộc vào sự cọ xát của hạt vào nòng súng phun. Điều chỉnh khả năng ma sát bằng cách điều chỉnh các luồng khí nén qua súng cũng như tỉ lệ bột / không khí để có hiệu suất tối ưu Tích điện ma sát tạo ra điện trường với sự phân bố các đường sức từ đồng đều hơn Màng sơn đồng đều về độ dày hơn.
2.3 So sánh hai cơ chế tĩnh điện.
Bảng 6: Bảng so sánh hai cơ chế tĩnh điện corona và tĩnh điện ma sát.
Thông số quan trọng Ưu và nhược điểm
Tích điện corona Tích điện ma sát
- Gây khó khăn với màng sơn dày.
- Không xảy ra, kể cả đối với lớp phủ dày.
- tồn tại các ion tự do nhiều.
- Ảnh hưởng xấu đến tính chất dòng chảy.
- Ít xảy ra Đặc tính dòng chảy tốt hơn.
- Dễ dàng phủ một lớp mỏng với dòng chảy tốt.
- Khối lượng bột ở súng phun lớn, điện áp sử dụng cao.
- Ít phụ thuộc điều kiện sản xuất.
- Lượng bột dùng ở súng phun ít hơn, điện áp sử dụng thấp hơn.
- Phụ thuộc nhiều vào điều kiện sản xuất. Ứng dụng Có thể sử dụng cho tất cả các loại bột Yêu cầu các loại bột phù hợp.
Bột sơn tĩnh điện là nguyên liệu dùng trong công nghệ sơn tĩnh điện, bao gồm 3 thành phần chính là nhựa, bột màu và chất phụ gia.
Hình 7: Bột màu trong sơn tĩnh điện
Phân loại Bột sơn tĩnh điện: Bột sơn tĩnh điện hiện nay gồm 04 loại phổ biến: Bóng (Gloss), Mờ (Matt), Cát (Texture), nhăn (Wrinkle) sử dụng cho hai điều kiện trong nhà và ngoài trời. Điều kiện bảo quản: bảo quản bột sơn tĩnh điện an toàn vì không sợ cháy nổ do nó là dạng bột khô không chứa dung môi và không tốn nhiều chi phí, chỉ cần đápứng đầy đủ các điều kiện sau là chúng ta có thể bảo quản bột sơn an toàn và hiệu quả nhất Để nơi khô ráo, thoáng mát Nhiệt độ bảo quản dưới 33C (rất phù hợp với thời tiết và khí hậu của Việt Nam) Chỉ nên chất lên cao tối đa là 5 lớp.
3.1 Quy trình sản xuất bột sơn.
Nguyên liệu được đưa vào thùng máy trộn được trộn đều đến khi đạt yêu cầu được chuyển qua giai đoạn tiếp theo.
3.1.2 Giai đoạn đùn và đập nhỏ.
Nung nóng thiết bị, mở van nước làm mát và dùng nhựa rửa máy Cho nguyên liệu đã trộn vào máy đùn, nhào trộn, khuếch tán rồi làm lạnh Tiếp tục cán thành thanh phẩm dạng tấm, rộng 5-10 cm, dày 1-2 mm Sau đó, đưa qua băng tải để làm mát kết hợp với cán đập thành mảnh nhỏ kích thước 1-5 cm.
Thành phẩm được nghiền thành những hạt bột có kích thước từ vài micromet đến vài chục micromet và được phân loại bằng cyclon nhằm loại bỏ những hạt có kích thước không đạt yêu cầu.
Sau khi sản phẩm đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng, tiến hành đóng gói sản phẩm để bảo vệ sản phẩm trong quá trình vận chuyển và lưu kho Lưu ý, bảo quản sơn ở nơi thoáng mát, tránh ẩm ướt để đảm bảo chất lượng sơn luôn tốt nhất.
4 Dây chuyền sơn tĩnh điện.
Hình 8: Dây chuyền sơn tĩnh điện 4.1 Khái niệm.
Dây chuyền sơn tĩnh điện là quá trình thực hiện sơn vật dụng nhưng không cần thực hiện sơn thủ công bằng những vật dụng như sơn nước thông thường Mà được tiến hành sơn bằng bột sơn khô, qua quá trình sử dụng súng sơn tĩnh điện, với công nghệ sơn tĩnh điện tiên tiến nhất hiện nay.
Với dây chuyền sơn tĩnh điện những vật dụng của bạn luôn bền màu, sử dụng lâu dài ít hư hao, những bột sơn bị rơi vải khi sơn có thể sử dụng trở lại Giúp người dùng tiết kiệm chi phí rất tốt.
4.2 Quy trình tiến hành sơn.
4.2.1 Xử lý bề mặt nền.
Các vật liệu thích hợp để sơn tĩnh điện là thép, nhôm, thép mạ kẽm, magie,kẽm và đồng thau.
Sản phẩm sạch dầu mỡ công nghiệp Sản phẩm sạch rỉ sét Sản phẩm không rỉ sét trở lại trong thời gian chưa sơn Tạo lớp bao phủ tốt cho việc bám dính giữa lớp màng sơn và kim loại Do các yêu cầu trên mà việc xử lý bề mặt kim loại trước khi sơn thường được xử lý theo phương pháp nhúng vật sơn vào các bể hóa chất.Vật sơn được đựng trong các rọ làm bằng thép không rỉ, di chuyển nhờ hệ thống balang điện qua các bể Các bể chứa hóa chất xử lý có thể được xây bằng bê tông, thép hoặc bằng inox và phải được tráng nhựa composite Bể chứa hóa chất tẩy dầu mỡ Lần lượt qua các bể sau:
Bể chứa axit tẩy rỉ sét (H2SO /HCl).4
Bể chứa hóa chất định hình bề mặt.
Bể chứa hóa chất Photphat hóa bề mặt.
Sấy khô bề mặt nền trước khi sơn Sản phẩm sau khi xử lý hóa chất phải được làm khô trước khi sơn Thông thường lò sấy có dạng hình khối Sản phẩm được treo trên xe gòng và đẩy vào lò Lò có nguồn nhiệt chính bằng bếp hồng ngoại tuyến hoặc Burner, nhiên liệu đốt là LPG.
Sản phẩm sau khi xử lý hóa chất và sấy khô được đưa vào buồng phun và thu hồi sơn. Buồng phun sơn có 2 loại:
Loại 1 súng phun: Sử dụng 1 súng phun, vật sơn được treo, móc bằng tay vào buồng phun.
Loại 2 súng phun: Vật sơn di chuyển trên băng tải vào buồng phun, 2 súng ở 2 phía đối diện phun vào 2 mặt của sản phẩm.
Kích thước buồng phun mẫu:
Kích thước: D 4500mm x R 1000mm x C 2000 mm
Vách tole 1.5 mm (Sơn Tĩnh điện)
Cửa đứng sơn: 800 mm x 1000 mm
Filter lọc bột sơn: 4 bộ (D 900mm x f 320mm)
Quạt thu hồi bột sơn.
Hệ thống rủ bột khí điện 2 chế độ. Đáy sàn bằng inax 201
Tủ điện điều khiển hệ thống điện.
Phần đầu súng: Gồm 5 chi tiết trong đó có 3 chi tiết quan trọng là kim dẫn điện,
Phần đuôi súng: là phần kết nối giữa dây dẫn khí, dẫn sơn và cáp điện với súng phun.
Bộ điện cao áp: phần này được voi là trái tim của súng tĩnh điện, được nằm trong phần thân súng.
4.2.5 Sấy định hình và hoàn tất sản phẩm.
XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA PHOTPHAT HÓA
CÔNG NGHỆ SƠN TĨNH ĐIỆN 1 Giới thiệu chung
Bột sơn tĩnh điện
Bột sơn tĩnh điện là nguyên liệu dùng trong công nghệ sơn tĩnh điện, bao gồm 3 thành phần chính là nhựa, bột màu và chất phụ gia.
Hình 7: Bột màu trong sơn tĩnh điện
Phân loại Bột sơn tĩnh điện: Bột sơn tĩnh điện hiện nay gồm 04 loại phổ biến: Bóng (Gloss), Mờ (Matt), Cát (Texture), nhăn (Wrinkle) sử dụng cho hai điều kiện trong nhà và ngoài trời. Điều kiện bảo quản: bảo quản bột sơn tĩnh điện an toàn vì không sợ cháy nổ do nó là dạng bột khô không chứa dung môi và không tốn nhiều chi phí, chỉ cần đápứng đầy đủ các điều kiện sau là chúng ta có thể bảo quản bột sơn an toàn và hiệu quả nhất Để nơi khô ráo, thoáng mát Nhiệt độ bảo quản dưới 33C (rất phù hợp với thời tiết và khí hậu của Việt Nam) Chỉ nên chất lên cao tối đa là 5 lớp.
3.1 Quy trình sản xuất bột sơn.
Nguyên liệu được đưa vào thùng máy trộn được trộn đều đến khi đạt yêu cầu được chuyển qua giai đoạn tiếp theo.
3.1.2 Giai đoạn đùn và đập nhỏ.
Tiến hành gia nhiệt cho thiết bị rồi mở van nước làm mát và dùng nhựa để rửa máy Đưa nguyên liệu đã được khuấy trộn vào máy đùn và nhào trộn khuếch tán vào nhau rồi làm lạnh Tiếp tục cán thanh phẩm bằng những tấm rộng từ 5-10 cm, độ dày 1-2 mm cho qua băng tải tiếp tục làm mát kết hợp với cán đập thành những mảnh nhỏ từ 1-5 cm.
Thành phẩm được nghiền thành những hạt bột có kích thước từ vài micromet đến vài chục micromet và được phân loại bằng cyclon nhằm loại bỏ những hạt có kích thước không đạt yêu cầu.
Tiến hành đóng gói sản phẩm sau khi sản phẩm được tiêu chí với chất lượng yêu cầu Chú ý bảo quản sơn ở nơi thoáng mát, khô ráo, tránh làm hỏng sơn
Dây chuyền sơn tĩnh điện
Hình 8: Dây chuyền sơn tĩnh điện 4.1 Khái niệm.
Dây chuyền sơn tĩnh điện là quá trình thực hiện sơn vật dụng nhưng không cần thực hiện sơn thủ công bằng những vật dụng như sơn nước thông thường Mà được tiến hành sơn bằng bột sơn khô, qua quá trình sử dụng súng sơn tĩnh điện, với công nghệ sơn tĩnh điện tiên tiến nhất hiện nay.
Với dây chuyền sơn tĩnh điện những vật dụng của bạn luôn bền màu, sử dụng lâu dài ít hư hao, những bột sơn bị rơi vải khi sơn có thể sử dụng trở lại Giúp người dùng tiết kiệm chi phí rất tốt.
4.2 Quy trình tiến hành sơn.
4.2.1 Xử lý bề mặt nền.
Các vật liệu thích hợp để sơn tĩnh điện là thép, nhôm, thép mạ kẽm, magie,kẽm và đồng thau.
Sản phẩm sạch dầu mỡ công nghiệp Sản phẩm sạch rỉ sét Sản phẩm không rỉ sét trở lại trong thời gian chưa sơn Tạo lớp bao phủ tốt cho việc bám dính giữa lớp màng sơn và kim loại Do các yêu cầu trên mà việc xử lý bề mặt kim loại trước khi sơn thường được xử lý theo phương pháp nhúng vật sơn vào các bể hóa chất.Vật sơn được đựng trong các rọ làm bằng thép không rỉ, di chuyển nhờ hệ thống balang điện qua các bể Các bể chứa hóa chất xử lý có thể được xây bằng bê tông, thép hoặc bằng inox và phải được tráng nhựa composite Bể chứa hóa chất tẩy dầu mỡ Lần lượt qua các bể sau:
Bể chứa axit tẩy rỉ sét (H2SO /HCl).4
Bể chứa hóa chất định hình bề mặt.
Bể chứa hóa chất Photphat hóa bề mặt.
Sấy khô bề mặt nền trước khi sơn Sản phẩm sau khi xử lý hóa chất phải được làm khô trước khi sơn Thông thường lò sấy có dạng hình khối Sản phẩm được treo trên xe gòng và đẩy vào lò Lò có nguồn nhiệt chính bằng bếp hồng ngoại tuyến hoặc Burner, nhiên liệu đốt là LPG.
Sản phẩm sau khi xử lý hóa chất và sấy khô được đưa vào buồng phun và thu hồi sơn. Buồng phun sơn có 2 loại:
Loại 1 súng phun: Sử dụng 1 súng phun, vật sơn được treo, móc bằng tay vào buồng phun.
Loại 2 súng phun: Vật sơn di chuyển trên băng tải vào buồng phun, 2 súng ở 2 phía đối diện phun vào 2 mặt của sản phẩm.
Kích thước buồng phun mẫu:
Kích thước: D 4500mm x R 1000mm x C 2000 mm
Vách tole 1.5 mm (Sơn Tĩnh điện)
Cửa đứng sơn: 800 mm x 1000 mm
Filter lọc bột sơn: 4 bộ (D 900mm x f 320mm)
Quạt thu hồi bột sơn.
Hệ thống rủ bột khí điện 2 chế độ. Đáy sàn bằng inax 201
Tủ điện điều khiển hệ thống điện.
Phần đầu súng: Gồm 5 chi tiết trong đó có 3 chi tiết quan trọng là kim dẫn điện,
Phần đuôi súng: là phần kết nối giữa dây dẫn khí, dẫn sơn và cáp điện với súng phun.
Bộ điện cao áp: phần này được voi là trái tim của súng tĩnh điện, được nằm trong phần thân súng.
4.2.5 Sấy định hình và hoàn tất sản phẩm.
Vật sơn sau khi sơn được đưa vào buồng sấy Tùy theo chủng loại thông số kỹ thuật của bột sơn mà đặt chế độ sấy tự động thích hợp (nhiệt độ sấy 150 C – 200 C, thời o o gian sấy 10 - 15 phút) Cuối cùng là khâu kiểm tra, đóng gói thành phẩm.
5.1 Ưu điểm. a) Tính kinh tế.
99% sơn được sử dụng triệt để (bột sơn dư trong quá trình phun sơn được thu hồi để sử dụng lại) Không cần sử dụng sơn lót Làm sạch dễ dàng những khu vực bị ảnh hưởng khi phun sơn hay do phun sơn không đạt yêu cầu.Tiết kiệm thời gian hoàn thành sản phẩm. b) Đặc tính sử dụng
Quy trình sơn có thể được thực hiện tự động hóa dễ dàng (dùng hệ thống phun sơn bằng súng tự động) Dễ dàng vệ sinh khi bột sơn bám lên người thực hiện hoặc các thiết bị khác mà không cần dùng bất cứ loại dung môi nào như đối với sơn nước. c) Chất lượng
Tuổi thọ thành phẩm lâu dài Màng sơn bóng, đẹp, bền lâu Khó bị ăn mòn bởi hóa chất hoặc bị ảnh hưởng của tác nhân hóa học hay thời tiết Màu sắc phong phú và độ chính xác khi sơn cao. d) Môi trường Ưu thế chính của phương pháp sơn tĩnh điện là không dùng các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC), do đó không cần đến các thiết bị phân hủy VOC tốn kém như lò thiêu hoặc các thiết bị hấp thụ carbon Phát sinh rất ít khí gây ô nhiễm môi trường Đây là công nghệ sơn an toàn, sạch sẽ và đạt tiêu chuẩn tốt cho môi trường Ưu điểm.
Cần làm nóng vật cần sơn ở nhiệt độ cao (260oC) để làm nóng chảy bột Khó điều chỉnh độ dày, khó sơn những chi tiết phức tạp Chỉ áp dụng được cho các vật liệu kim loại (đối với công nghệ sơn khô).
5.3 So sánh với sơn thường.
Bảng 8: Bảng so sánh giữa sơn tĩnh điện và sơn thường.
Sơn tĩnh điện Sơn nước/ Sơn dầu.
- Không sử dụng dung môi, không gây ô nhiễm môi trường…
- Dễ dàng tự động hoá, tiết kiệm chi phí nhân công.
- Dễ dàng lưu trữ, không yêu cầu công nhân có tay nghề cao (khi không đạt yêu cầu có thể làm lại dễ dàng)
- Phải sử dụng dung môi, gây ô nhiễm môi trường, chi phí cao.
- Khó khăn trong việc lưu kho ( có thể xảy ra cháy nổ).
- Yêu cầu công nhân tay nghề cao, không thể sửa đồi khi vật sơn không đạt yêu cầu.
- Tạo ra thành phẩm nhanh (khoảng
- Tuổi thọ trung bình sản phẩm cao
- Có khả năng cách điện
- Tạo ra thành phẩm chậm, mất nhiều thời gian (phụ thuộc thời tiết).
- Tuổi thọ trung bình sản phẩm thấp.
- Không có khả năng cách điện.
Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng sản phẩm sơn tĩnh điện
Bảng 9: Bảng đánh giá tiêu chuẩn sản phẩm sơn tĩnh điện.
Chỉ tiêu Đơn vị tính Múc chỉ tiêu
1 Màu sắc Các màu mẫu Theo mẫu đặt
2 Độ bám dính của màng sơn Điểm < 1
3.Độ bóng của màng sơn đo bằng phương pháp quang học, góc 60 o % 20-90
4.Độ cứng của màng sơn Bút chì 3 2H
6.Độ bền va đập của màng, độ bền nước KG.cm 3 40
7 Ngâm màng trong nước ở nhiệt độ
50 o C trong 24 giờ - Không phai màu
8 Độ bền xylen, lau 8 lần, lực 1kg - Không phai màu
9 Độ bền axit ngâm trong dung dịch
H2SO4 0,2N ở nhiệt độ phòng, màng không đổi.
10 Độ bền kiềm ngâm màng trong dung dịch NaOH 0,1N ở nhiệt độ phòng, màng không đổi Giờ 24
11 Độ bề chống gỉ, phun muối trong
Ứng dụng
Phủ sơn tĩnh điện để ngăn ko cho kim loại tiếp xúc với môi trường ăn mòn bên ngoài, giúp tăng tuổi thọ và tăng tính thẩm mỹ.
Trong ngành công nghiệp, các lĩnh vực như hàng hải, hàng không, sản xuất ô tô và xe máy, sơn trang trí, xây dựng công nghiệp và dân dụng có nhu cầu sử dụng máy nén khí rất lớn.
Ứng dụng thực tế của sơn tĩnh điện tại thị trường Việt Nam rất đa dạng và phong phú Từ những ứng dụng đơn giản trong đời sống hàng ngày, sơn tĩnh điện còn được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp quan trọng.
Những ứng dụng thường thấy trong dân dụng: Sơn lồng quạt, máng đèn, tủ lạnh, nồi cơm điện, đồ nội thất như bàn ghế, tủ áo, cửa đi, cửa sổ, v.v… Đến những ứng dụng trong Công nghiệp như: Tủ điện, máng điện (cable trays, trunking, ladder, v.v ), chai Gas (LPG), chân đế, khung máy,giàn giáo xây dựng, các xe chuyển hàng, kệ chứa hàng công nghiệp, v.v…
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Trần Minh Hoàng, Công nghệ mạ điện, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 1998.
2 Nguyễn Văn Lộc, Công nghệ mạ điện, NXB Giáo dục, Hà Nội, 2005.
3 Nguyễn Văn Lộc, Nguyễn Khương, Sổ tay Công nghệ Mạ điện NXB Bách Khoa Hà Nội,
4 Nguyễn Khương, Mạ điện- Những quy trình kỹ thuật mạ kim loại và hợp kim tập 2, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2010.
5 T.S.N Sankara Narayanan, “Surface pretreatment by phosphate conversion coatings – a review”, Rev.Adv.Mater.Sci 9 tr 130-177, 2005
