sơn chống ăn mòn trong bảo vệ kim loại

Qúa trình phát triển của công nghiệp sơn Sơn là hợp chất hóa học bao gồm chất tạo màng nhựa hoặc dầu,… có chất màu hoặc không có chất màu.Khi sơn lên bề mặt sản phẩm ta được lớp màng mỏ

Mục lục

Lời mở đầu……… 3

Chương I : Tổng quan về sơn ……… 4

1 Qúa trình phát triển của công nghiệp sơn ……….4

2 Định nghĩa và phân loại sơn……….5

2.1 Định nghĩa và thành phần sơn……… 5

2.2 Phân loại sơn……… 5

3 Các phương thức tạo thành màng sơn……… 8

4 Vị trí tác dụng của sơn……….8

Chương II : Giới thiệu về sơn chống ăn mòn……… 11

1 Mở đầu……….11

2 Hiện tượng ăn mòn trong vật liệu……… 11

2.1 Cơ chế ăn mòn kim loại ……….11

2.2 Các phương pháp chống ăn mòn……… 13

2.3 Cơ chế bảo vệ màng sơn……… 15

3 Vật liệu sơn chống ăn mòn……….17

3.1.Sơn epoxy………17

3.1.1 Sơn epoxy biến tính với cacdanol………17

3.1.2 Sơn epoxy biến tính với các polyme dẫn……….18

3.1.3 Sơn epoxy nanocompozite……… 21

3.2 Sơn nước acrylic biến tính với TiO2 kích cỡ nano……… 22

3.3 Sơn giàu kẽm……… 23

4 Các phương pháp nghiên cứu khả năng chống ăn mòn của màng sơn……… 24

4.1 Phương pháp điệnhóa……… 24

4.1.1 Phương pháp đo thế theo thời gian……….24 4.1.2 Phương pháp bóc tách catot ……… 25

4.2 Thử nghiệm khả năng chống ăn mòn theo phương pháp mù

muối……… 26

Tài liệu tham khảo……….27

Lời mở đầu

Hiện nay vấn đề ăn mòn kim loại cũng đang là một vấn đề cần quan tâm bởi nếu kim loại không được bảo vệ sẽ tiêu tốn một khoản kinh phí khá lớn để thay vật liệu.Vì vậy yêu cầu cấp thiết về mặt kĩ thuật cũng như mĩ thuật là phát triển ngày càng cao các công nghệ bảo vệ kim loại trong đó đặc biệt là sơn phủ Nhằm mục đích tổng hợp những kiến thức cơ bản về quá trình ăn mòn, bảo vệ ăn mòn bằng các loại sơn chống ăn mòn nên em được bộ môn giao cho đề tài “Tìm hiểu chung

về một số loại sơn chống ăn mòn”.Nội dung đề tài gồm 2 chương:

 Chương I : Tổng quan về sơn

 Chương II : Giới thiệu về sơn chống ăn mònMặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng do kiến thức còn hạn chế nên đề tài của

em còn nhiều thiếu sót Rất mong sự góp ý và chỉ bảo tận tình của các Thầy, Cô để

đề tài của em được hoàn thiện hơn

Em Xin chân thành cảm ơn TS.Nguyễn Phạm Duy Linh, các thầy cô, cácbạn đã giúp em hoàn thành đề tài này

Hà Nội, tháng 6, năm 2014 Sinh viên thực hiện Ngô Văn Nhâm

Chương I : Tổng quan về sơn

1 Qúa trình phát triển của công nghiệp sơn

Sơn là hợp chất hóa học bao gồm chất tạo màng nhựa hoặc dầu,… có chất màu hoặc không có chất màu.Khi sơn lên bề mặt sản phẩm ta được lớp màng mỏng bámtrên bề mặt, có tác dụng cách li với môi trường khí quyển, bảo vệ và làm đẹp sản phẩm

Từ lâu đời, con người đã sản xuất và sử dụng sơn.Loại nguyên liệu sử dụng lâu đờinhất là sản vật của thiên nhiên, từ nhựa cây chế tạo sơn, ép hạt rồi chưng luyện thành dầu, sau đó cho thêm hoặc không cho thêm bột màu thiên nhiên Trước kia, công nghiệp sơn chủ yếu là sơn dầu

Sự phát triển của xã hội, các ngành kinh tế quốc dân đòi hỏi những yêu cầu mới về chất lượng, số lượng chủng loại sơn, những loại sơn không đáp ứng yêu cầu sản xuất

Sự phát triển của công nghệ hóa học đã tạo ra rất nhiều loại nhựa tổng hợp, chất làm dẻo, dung môi hữu cơ tạo điều kiện phát triển rất mạnh ngành sơn Hiện nay

đã chế tạo được hàng nghìn loại sơn, đáp ứng và thỏa mãn mọi nhu cầu phát triển công nghiệp Công nghiệp sơn trở thành ngành sản xuất lớn hiện đại, đóng vai trò quan trọng trong nền quốc dân

Ngày nay từ khâu sản xuất đến khâu sử dụng đang được cơ giới hóa và tự động hóatạo ra năng suất lao động cao, giá thành hạ, cải thiện được điều kiện làm việc.Ngàynay, nhiều loại sơn mới ít độc ra đời như sơn bột, sơn tan trong nước ,…, nhiều loại thiết bị mới đã được đưa vào sử dụng như thiết bị phun sơn nóng, thiết bị phun sơn tĩnh điện, thiết bị sơn điện phân, thiết bị sấy khô bằng tia tử ngoại, hồng ngoại,…

Do sự tiến bộ không ngừng của khoa hoc kĩ thuật hiện đại, công nghệ sơn trở thànhngành công nghiệp sản xuất tự động hóa, chất lượng sản phẩm cao [1]

2 Định nghĩa và phân loại sơn

2.1 Định nghĩa và thành phần sơn

Sơn là một loại vật liệu được phủ lên bề mặt bền có tác dụng bảo vệ và làm đẹp sản phẩm

Thành phần chủ yếu của màng sơn:

+ chất tạo màng (phần không bay hơi): có tác dụng tạo màng liên tục chủ yếu

là nhựa (nhựa tự nhiên, nhựa tổng hợp), ví dụ: nitroxenlulozo, nhựa epoxy,

…,và dầu như dầu chẩu, dầu đay,…

+ dung môi, chất pha loãng (phần bay hơi): có tác dụng hòa tan màng, chất pha loãng làm giảm giá thành, ví dụ: este,xeton,ete,…

+ bột màu, chất độn: có tác dụng che phủ bề mặt chống xuyên thấu,…ví dụ: TiO2 ,ZnO,…chất độn làm tăng độ dày màng, giảm giá thành, ví dụ: CaCO3

,BaSO4 ,…[1]

2.2 Phân loại sơn

Sơn có rất nhiều loại, tính chất khác nhau.Các nhà máy chế tạo sơn căn cứ vào yêu cầu vào sử dụng và điều kiện kinh tế mà chọn nguyên liệu, pha chế hợp lí.– Có nhiều cách để phân loại sơn

+ Sơn thông thường (sơn dầu, sơn tổng hợp, sơn màu, ), sơn đặc biệt (sơn ximăng, sơn chống cháy, sơn cách điện, sơn bột,…)

+ Dựa vào chất tạo màng có thể chia ra làm 16 loại sơn như sau :

Sơn dầu

Chịu khí hậu tốt dùng trong nhà ,ngoài trời

Khô chậm,tính năng cơ tính thấp,không thể mài ,đánh bóng

Sơn thiên nhiên

Khô nhanh,sơn gầy cứng

dễ đánh bóng ,sơn béo chịu khí hậu tốt

Sơn gầy chịu khí hậu kém,sơn béo không thể đánh bóng

Sơn phenol-formaldehyt

Màng cứng chịu nước,chịu ăn mòn hóa học và cách điện

Dễ biến màu màng sơn giòn

Sơn ankyt

Chịu khí hậu tốt,bóng bền

Màng sơn mềm chịu kiềm kém

Sơn gốc amin

Độ cứng cao,bóng chịu nhiệt, chịu kiềm

Ở nhiệt độ cao đóng rắn,màng sơn sấy dònSơn gốc nitro

Khô nhanh,chịu dầu,chịu mài mòn,chịu khí hậu tốt

Dễ cháy,không chịu ánh sáng tia tử ngoại,không chịu nhiệt độ trên 60oCSơn nitroxenlulo Chịu khí hậu tốt,chịu ánh

sáng tia tử ngoại,có loại chịu kiềm

Bám chắc yếu ,chịu ẩm ướt yếu

Đàn hồi tốt,màu trắng chịu mòn chịu ăn mòn hóa học

Chịu dung môi,chịu nhiệtkém,không chịu ánh sángMàng sơn không màu Chịu dung môi kém

Sơn acrylat chịu nhiệt,chịu khí hậu

tốt,bền màu,chịu ánh sáng chịu ăn mòn hóa học

Sơn polyeste

Lượng chất rắn cao,chịu nhiệt,chịu mài mòn,cách điện

Độ bám chắc yếu

Sơn epoxy

Bấm chắc tốt,chịu kiềm,dai,cách điện

Chịu ánh sáng yếu để ngoài trời dễ tạo bộtSơn polyamine

Chịu mài mòn tốt,chịu nước,chịu ăn mòn hóa học,cách điện,chịu nhiệt

Khi phun gặp ẩm dễ nổi bọt,màng sơn dễ tạo bột ,biến vàng

Sơn silicon

Chịu nhiệt,bền trong không khí,không biến màu,cách điện,chịu nước,khó lão hóa

Chịu xăng kém,có loại giòn

Sơn cao su Chịu axit,chịu kiềm,chịu

ăn mòn,chịu nước,chịu mài mòn

Dễ biến màu,không chịu ánh sáng

Bảng 2.1 Phân loại và ưu nhược điểm của các loại sơn

3 Các phương thức tạo thành màng sơn

Phương thức tạo thành màng sơn gồm hai loại:

a) Tác dụng vật lí: nhờ sự bay hơi của dung môi, màng sơn khô Phương thức tạo màng như vậy có sơn nitroxenlulo, sơn clovinyl,…

b) Tác dụng hóa học

– Loại trùng hợp oxi hóa: quá trình tạo thành màng sơn của loại này phân thành hai bước: dung môi bay hơi → trùng hợp oxi hóa tạo thành màng sơn rắn chắc, bền

Thí dụ: sơn phenolfomaldehyt, sơn ankyt,…

– Loại trùng hợp sấy: quá trình tạo thành màng sơn của loại này phải qua sấy mới tạo ra phản ứng trùng hợp

Thí dụ: sơn bitum, sơn ankyl gốc amin, sơn silicon,…

– Loại đóng rắn nhờ vào chất đóng rắn: sự tạo thành màng sơn của loại này nhờ vào chất đóng rắn

Thí dụ: sơn epoxy, sơn polyamin,…

b) Bảo vệ bề mặt

Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta thường sử dụng các dụng cụ, thiết bị được làm bằng gỗ, kim loại, chất dẻo.Vật liệu kim loại khi tiếp xúc với môi trường ăn mòn, nước, không khí sẽ bị oxi hóa và ăn mòn, đặc biệt trong môi trường vùng biển kim loại bị ăn mòn rất nghiêm trọng.Theo con số thống kê của một số nước,

sự ăn mòn hàng năm làm tổn hại từ 2% đến 4% tổng sản lượng kinh tế quốc dân (GDP).Kết quả tạo nên sự lãng phí rất lớn đến tài nguyên có hạn của quốc gia và làm cho môi trường tự nhiên bị ô nhiễm nghiêm trọng

Để bảo vệ kim loại khỏi ăn mòn thường dùng phương pháp sơn, lớp sơn là lớp bảo

vệ có hiệu quả nhất trong nhiều lĩnh vực đặc biệt là các công trình kiến trúc lớn.Ví

dụ thiết bị trong môi trường vùng biển, nếu không có lớp sơn tuổi thọ chỉ được vài năm, khi dược bảo vệ bằng lớp sơn chống ăn mòn lâu dài và định kì sơn, tuổi thọ

sử dụng có thể kéo dài 30 đến 50 năm thậm chí đến 100 năm

Gỗ và chất dẻo là hai loại nguyên liệu được sử dụng rộng rãi, gỗ thường bị mục lát trong môi trường khí ẩm và vi sinh vật, chất dẻo thường bị lão hóa do nhiệt và ánh sáng, vì vậy gỗ và chất dẻo cũng được bảo vệ bằng lớp sơn

Điều quan trọng nhất của sơn là bảo vệ bề mặt sản phẩm.Màng sơn mỏng hình thành trên bề mặt chi tiết cách li với môi trường như không khí, ánh sáng mặt trời

và đặc biệt là môi trường ăn mòn như axit , kiềm,…Nếu bề mặt có lớp màng cứng còn có tác dụng làm giảm sự va đập, ma sát → tác dụng bảo vệ cơ khí [1]

c) Tác dụng chỉ dẫn

Sơn có rất nhiều loại màu như xanh, đỏ, tím,…được dùng trong quản lí giao thông,các đường ống dẫn của thiết bị hóa chất, các thiết bị cơ khí đặc biệt,…có tác dụng chỉ dẫn đề phòng nguy hiểm, tai nạn.Ngoài tác dụng bảo vệ và trang trí, sơn còn cócông dụng đặc biệt, sơn các màu lên các thiết bị quân sự để có thể ngụy trang, sơn chống tia hồng ngoại có thể chống được địch phát hiện được các mục tiêu quân

sự.Đối với ô tô là vật di chuyển trên đường nên cần phải sơn để cho người đi

đường có thể nhận biết từ xa [1]

d) Tác dụng đặc biệt

Ngoài các tác dụng chính trên, sơn còn có các công dụng dặc biệt:

– Tính năng lực: sơn chịu mài mòn, sơn trơn, giam ma sát, …

– Tính năng nhiệt: sơn chỉ thị nhiệt, sơn chịu nhiệt, sơn chống lửa,

– Tính năng từ: sơn dẫn điện, sơn tĩnh điện dẫn điện, sưn hấp thụ từ,…

– Tính năng quang: sơn phát quang, sơn phản quang, …

– Tính năng sinh vật: sơn chống hà, sơn chống mốc,…

– Tính năng hóa học: sơn chịu axit, sơn chịu kiềm,và các loại hóa chất,…Những tính năng đặc biệt của sơn làm tăng cường tính năng và mở rộng phạm vi

sử dụng, do vậy yêu cầu về sơn và kĩ thuật sơn ngày càng cao [1]

Chương II : Giới thiệu về sơn chống ăn mòn

1 Mở đầu

Hiện nay,trên thế giới cũng như ở Việt Nam phần lớn các công trình đều sử dụng một khối lượng lớn kim loại.Theo số lượng thống kê, lượng kim loại (bao gồm sắt thép và kim loại màu ) bị ăn mòn do quá trình điện hóa chiếm 1.7–4.5 GDP các nước hay nói cách khác hàng năm có 10-15% lượng kim loại bị phá hủy

nếu không được bảo vệ.Vì vậy yêu cầu cấp thiết về mặt kỹ thuật cũng như thẩm

mỹ là phát triển ngày càng cao các công nghệ bảo vệ kim loại trong đó có phương pháp bảo vệ bằng lớp phủ.Trên thực tế có 3 phương pháp lớn được sử dụng là dùnglớp phủ bằng kim loại (tráng crom,tráng thiếc,…),lớp phủ bằng hợp chất hóa học

và lớp phủ bằng phi kim (men ,sơn) Trong đó biện pháp hữu hiệu nhất là dùng màng sơn để bảo vệ do đặc tính chống ăn mòn tốt, rất kinh tế và tính thẩm mỹ cao

2 Hiện tượng ăn mòn trong vật liệu

2.1 Cơ chế ăn mòn kim loại

Ăn mòn có thể được định nghĩa là sự phá hủy kim loại bằng tác động hóa học trực tiếp, phản ứng điện hóa, điện phân hay oxy hóa trong môi trường lỏng hoặc khí.Nếu không ngăn chặn thì kết quả ăn mòn sẽ làm hỏng kim loại và có thể tiếp tục cho đến khi bị phân hủy thành oxit, cacbonat và sunfat và chuyển thành dạng vật liêu tương tự như quặng mà từ đó kim loại được tách ra.Gỉ là một dạng hydrat của quặng sắt nói chung, thuộc sắt(III) oxyt

Có các dạng ăn mòn kim loại sau:ăn mòn nói chung, đường nứt ăn mòn, ăn mòn điện hóa, ăn mòn đường hầm, ăn mòn giữa các hạt và tróc vảy, gặm mòn, ăn mòn mỏi và một số dạng khác ít xuất hiện [2]

Sự ăn mòn điện hóa là một hiện tượng rất phức tạp.Có nhiều loại thép tất cả đều là hợp kim của sắt với cacbon và kim loại khác nên sự ăn mòn cũng khác nhau phụ thuộc vào thành phần và ứng suất trong thép.Xu hướng ăn mòn điện hóa gây ra bởi

sự không đồng đều của các thành phần dẫn đến một số vùng trên bề mặt trở thành anot trong khi trở thành catot.Khi thép bị nhúng trong nước có độ dẫn sắt sẽ bị ăn mòn ở vị trí anot [3]

– Thành phần hóa học của thép là một nhân tố tạo ra các vùng catot và anot vàứng suất cũng là một nhân tố.Ví dụ, thép cán nguội thường dễ bị ăn mòn hơnthép cán nóng có cùng thành phần hợp kim.

– Các phản ứng điện hóa xảy ra ở anot, catot khi không có mặt oxy [4] :

Qúa trình ăn mòn xảy ra do xu hướng tự nhiên của vật chất dặc biệt các kim

loại được sử dụng cho các kết cấu, thùng chứa, tàu thủy,…được biến từ kim loại

thành các oxit kim loại bền hơn.Vật liệu không thể sử dụng lâu dài theo phương

pháp này, nếu ăn mòn xảy ra kết cấu bị phá hủy.Các loại phá hủy cần được ngăn

chặn.Một vài phương pháp chống ăn mòn được chú ý tới [4]:

Bảng 2.1.So sánh các phương pháp điều chỉnh quá trình ăn mòn

Thay đổi môi

trường

–các thay đổi môi trường thường đơn giản

–giá thấp–trang bị thêm dễ dàng

–không hoàn toàn loại trừ được

ăn mòn–chất ức chế hạn chế trong quá trình nhúng chìm

–thay đổi quá trình,độ ẩm hay nhiệt độ

-sử dụng chất ức chế

Vật liệu chống

ăn mòn

–thời gian sử dụng dài –chi phí ban đầu cao

–khả năng thi công

–hợp kim đồng,niken,crom,molipdenvới sắt

–các nhựa nhiệt dẻo

(PE,PVC)Bảo vệ catot –đơn giản

–hiệu quả khi có chất điện ly mạnh

–hạn chế ở khu vực khô và ẩm ướt

–yêu cầu chìm trong nước

–vỏ tàu,dưới nước,dưới đất,đường ống

Rào cản –hiệu quả và toàn

diện nhất–giá hợp lí

–cần phân tích cẩn thận sự ăn mòn

–cần xử lý bề mặt và áp dụng đúng cách

–lớp gạch phủ,các lớp bảo vệ,tấm chất dẻo,lớp phủ cứng

thay thế không đoán trước–chi phí ban đầu cao–không hiệu quả,khối lượng tăng

–các chi tiết kết cấu lớn vàcác tấm dày hơn yêu cầu

Mỗi phương pháp đều có những lợi ích riêng nên cần biết kết hợp các phương pháp

để hiệu quả hơn

2.3 Cơ chế bảo vệ màng sơn

Như đã nêu ở trên ăn mòn kim loại là quá trình điện hóa.Có thể ngăn cản quá

trình ăn mòn kim loại bằng cách ngăn chặn phản ứng ở catot hoặc anot hoặc bằng

cách ngăn cản dòng ăn mòn trong điện phân.Ba phương pháp này gọi là ức chế

catot, ức chế anot, ức chế điện trở [6]

a) Ức chế catot Trong phản ứng ở catot tác nhân phản ứng là oxy và nước.Thực nghiệm cho

thấy màng sơn có độ dày bình thường không thể ngăn cản oxy và nước thấm qua

màng nên màng sơn không thể hiện tác dụng ức chế catot [7]

b) Ức chế anot

Tại miền catot phản ứng bao gồm sự chuyển ion kim loại vào trong chất điện phân kèm theo giải phóng điện tử lưu lại trong kim loại.Do đó ức chế anot theo hai cách [5]:

– Cung cấp đầy đủ điện tử cho kim loại để ngăn cản ion kim loại đi ra khỏi bề mặt sử dụng các màng sơn bảo vệ catot chứa các bọt màu kim loại có thế ăn mòn thấp hơn thế ăn mòn của kim loại cần được bảo vệ ví dụ như sơn giàu kẽm

– sắt ở ngoài không khí thường bị oxy hóa tạo màng oxit tuy nhiên chúng không đồng nhất về thành phần,cấu trúc nên ăn mòn vẫn xảy ra.Có 2 nhóm bột màucó tác dụng ức chế ăn mòn làm dày thêm và hòan thiện màng oxit này ngăn cản ăn mòn kim loại

+ nhóm 1 : các bột màu bazo có khả năng tạo xà phòng không tan trongdầu thảo mộc như oxit chì,oxit kẽm,…[8]

+ nhóm 2 : các bột màu thụ động như bột màu crommat kẽm,…

c) Ức chế điện trở

Đây là cơ chế bảo vệ chung nhất được thực hiện bởi màng sơn.Khi phủ 1 lớp màngsơn lên bề mặt kim loại có nghĩa là đặt một điện trở vào mạch điện hóa, sự di chuyển ion kim loại từ bề mặt vào dung dịch chất điện ly bị ngăn cản → ăn mòn kim loại bị ngăn chặn hoặc ít nhất cũng bị giảm xuống giá trị thấp

Các yếu tố ảnh hưởng đến tác dụng ức chế điện trở của màng sơn

+ Độ dày của màng sơn

+ Hàm lượng tạp chất trong nước của bột màu

+ Mức độ sạch của bề mặt kim loại trước khi sơn

+ Khả năng ngăn cản sự thấm nước và chất điện ly qua màng sơn

Thường hệ sơn phủ bảo vệ gồm 3 lớp: lớp sơn lót, lớp sơn trung gian, lớp sơn phủ bên ngoài.Mỗi lớp có yêu cầu kĩ thuật khác nhau tùy theo môi trường ăn mòn