nghiên cứu vai trò của sét hữu cơ trong sơn chống hà

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Thị Thùy Khuê NGHIÊN CỨU VAI TRÒ CỦA SÉT HỮU CƠ TRONG SƠN CHỐNG HÀ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Thị Thùy Khuê NGHIÊN CỨU VAI TRÒ CỦA SÉT HỮU CƠ TRONG SƠN CHỐNG HÀ Chuyên ngành: Hóa dầu và Xúc tác Hữu cơ Mã số:60.44.35 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN TIẾN THẢO Hà Nội – Năm 2011 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 6 CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN 8 1.1. Tổng quan về sét 1.1.1. Hình thành sét 1.1.2. Tính chất đặc trƣng 1.1.3. Các đơn vị tế bào cơ bản 11 1.2. Các kiểu cấu trúc 1.2.1. Kiểu 2:1 1.2.2. Kiểu 1:1 1.2.3. Kiểu 2:1+1. 1.3. Các tính chất vật lý cơ bản của sét 14 1.3.1. Khả năng trƣơng phồng 1.3.2. Khả năng hấp phụ 1.4. Bentonit biến tính 15 1.4.1. Lý do biến tính bentoni 1.4.2. Các kiểu biến tính: 1.4.3. Ứng dụng của sét hữu cơ 1.5. Sơn tàu biển 23 1.6. Sơn chống hà 24 1.6.1. Cơ chế chống hà bám : 1.6.2. Thành phần sơn chống hà: CHƢƠNG 2 – THỰC NGHIỆM 28 2.1. Điều chế phụ gia 28 2.1.1. Xử lý sét thô 2.1.2. Điều chế sét hữu cơ 2.2. Điều chế sơn chống hà với phụ gia là sét hữu cơ 32 2.3. Các phƣơng pháp nghiên cứu đặc trƣng của sét 33 2.3.1. Nhiễu xạ tia X. 2.3.2. Phƣơng pháp phổ hồng ngoại IR 2.3.3. Phƣơng pháp phân tích nhiệt vi sai DTA 2.3.4. Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét, SEM Error! Bookmark not defined. 2.3.5. Phƣơng pháp hiển vi điện tử truyền qua TEM Error! Bookmark not defined. 2.3.6. Phƣơng pháp hấp phụ nitơ (BET) 2.3.7. Phƣơng pháp tán xạ EDX. 2.4 . Các phƣơng pháp nghiên cứu đặc trƣng của sơn 41 2.4.1. Đo độ nhớt 2.4.2. Độ bám dính 2.4.3. Độ bền uốn của màng. 2.4.4. Độ bền va đập của màng. 2.4.5. Đo tổng trở CHƢƠNG 3 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 51 3.1. Tổng hợp bent.DL–CTAB và nghiên cứu tính chất của bent.DL–CTAB. 51 3.1.1. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng CTAB đến khoảng cách không gian cơ sở của sét 3.1.2. Ảnh hƣởng của nhiệt độ điều chế Bent.DL-CTAB. 3.1.3. Ảnh hƣởng của dung môi. 3.2. Các đặc trƣng cơ bản của Bent.DL – CTAB 55 3.2.1 Giản đồ phân tích nhiệt vi sai 3.2.2 Tính chất hấp thụ bức xạ hồng ngoại (phổ IR). Error! Bookmark not defined. 3.2.3 Đặc trƣng hình thái học của Bent.DL – CTAB 3.2.4. Hình ảnh TEM 3.2.5 Xác định thành phần nguyên tố hóa học bề mặt sét chống CTAB bằng phƣơng pháp EDX 3.3. Ứng dụng Bent.DL – CTAB làm phụ gia đông đặc cho sơn chống hầu62Error! Bookmark not defined. 3.3.1. Kết quả đo độ nhớt của sơn chứa Bent.DL – CTAB 3.3.2. Điều chế 3 loại sơn có phụ gia khác nhau: không phụ gia, Bent.DL.Na, Bent.DL – CTAB 3.3.3 Kết quả xác định độ bám dính 3.3.4 Kết quả xác định độ bền uốn của màng 3.3.5. Kết quả xác định độ bền va đập của màng 3.3.6. Kết quả đánh giá bảo vệ kim loại ức chế ăn mòn qua đo tổng trở. 3.4. Khảo sát độ tƣơng hợp của mẫu sơn chống hầu hà sử dụng phụ gia Bent-DL- CTAB và mẫu sơn lót thƣơng mại Sigmawell 165 68 KẾT LUẬN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1.1: Thành phần sơn chống hà Sigma Alphagen 240. 25 Bảng 2.1: Các mức độ đặc trưng cho độ bám dính và đặc điểm. 44 Bảng 3.1: Các giá trị khoảng cách giữa hai lớp sét khi tăng hàm lượng CTAB 51 Bảng 3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng chống sét Bent-DL bằng CTAB trong dung môi etanol. 54 Bảng 3.3. Khoảng cách (d 001 – 9.6) của sét chống CTAB trong dung môi khác nhau.53 Bảng 3.4. Các mẫu sơn với phụ gia và độ nhớt tương ứng 62 Bảng 3.5. Giá trị độ bám dính của từng loại sơn 64 Bảng 3.6. Giá trị độ bền uốn của từng loại sơn 65 Bảng 3.7. Giá trị độ bền va đập của từng loại sơn 66 Bảng 3.8. Tính chất sơn chống hầu hà với phụ gia là Bent.DL – CTAB: 68 Bảng 3.9. Thành phần của sigmawell 165 69 Bảng 3.10 Tính chất cơ lý của mẫu sơn sản phẩm sử dụng sơn lót sigmawell 165 và sơn phủ mẫu sơn chống hà – Bent.DL – CTAB 69 MỞ ĐẦU Từ xưa tới nay, khoáng sét nói chung, đặc biệt bentonit nói riêng được xem là vật liệu trong lĩnh vực hấp phụ, xúc tác, hoạt động bề mặt, polime; đặc biệt sét hữu cơ có những tính chất ưu việt được các nhà công nghệ dầu khí, sơn phủ, vật liệu mới… quan tâm. Bên cạnh những ứng dụng làm phụ gia, nguyên vật liệu trong các ngành công nghiệp thăm dò, khai thác dầu khí như chế tạo dung dịch khoan, hấp phụ bảo vệ môi trường… sét hữu cơ còn có ứng dụng trong ngành công nghiệp sơn, phẩm nhuộm, phẩm màu [1,15, 25]. Sơn là hệ huyền phù gồm chủ yếu chất tạo màng, bột màu, dung môi và một số phụ gia. Khi phủ lên bề mặt vật tạo một lớp mỏng bám chắc, bảo vệ và trang trí bề mặt vật cần sơn [6]. Như chúng ta đã biết, con người đã sử dụng sơn từ rất sớm. Từ thời cổ đại con người đã biết dùng sơn để vẽ hình trang trí tường, hang hốc. Hàng nghìn năm trước công nguyên, người cổ đại Ai Cập, người Trung Hoa đã biết dùng mủ cây để vẽ lên thuyền nhằm trấn áp các loài thủy quái. Người Ấn Độ đã dùng cánh kiến đỏ sơn bóng các đồ vật. Người cổ Việt biết lấy mủ từ cây sơn ta làm chất trang trí các đồ dùng đựng nước. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và những đòi hỏi về môi trường mới, ngày nay, chúng ta cần rất nhiều chủng loại sơn có chất lượng tốt, phù hợp với yêu cầu thực tế [2, 8]. Chất tạo màng không chỉ đơn thuần là nhựa thiên nhiên mà còn được tổng hợp trong phòng thí nghiệm [6]. Bên cạnh đó, nước ta có Biển Đông bao bọc, bờ biển dài trên 1500 km, ngành tàu biển khá phát triển, vì thế nhu cầu sử dụng sơn chống hà chất lượng tốt và thân thiện với môi trường rất lớn. Trong sản xuất, việc thử nghiệm, áp dụng các loại phụ gia khác nhau pha vào sơn để nâng cao tính chất của sơn là một hướng nghiên cứu còn nhiều triển vọng. Bản luận văn này đề cập đến việc nghiên cứu sử dụng sét hữu cơ (Bent.DL-hữu cơ) như là chất phụ gia làm đặc cho sơn chống hà. Những kết quả ban đầu hứa hẹn khả năng ứng dụng của loại vật liệu truyền thống (sét hữu cơ) trong lĩnh vực sơn chống hà. CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về sét 1.1.1. Hình thành sét Khoáng sét được hình thành trong tự nhiên do sự phong hóa lâu đời đá mẹ như: felspart, magma… Tuy nhiên, thành phần đá mẹ ban đầu và điều kiện khí hậu, đã khiến thành phần sét và cấu trúc sét bị thay đổi. Ở những nơi khí hậu nắng nhiều, mưa ít, kín, nước bị chảy trôi thì sét được tạo thành như sét ở dạng kiềm hay kiềm thổ [8]. Để tìm hiểu kỹ hơn chúng ta cùng xem xét các đặc trưng cơ bản của sét. 1.1.2. Tính chất đặc trưng Sét tự nhiên thường mang điện tích âm (-) và được bù bởi các cation Na + , K + , Mg 2+ , Ca 2+ … [11]. Các ion này có thể được trao đổi với các cation khác. Chính nhờ tính chất trao đổi cation này mà sét có nhiều ứng dụng thực tế. Ví dụ: làm xúc tác, chất hấp phụ, phụ gia…[30, 32] cũng như làm nguyên liệu cho nhiều ngành công nghiệp khác [28, 29]. Khả năng ứng dụng phong phú của sét xuất phát từ cấu trúc hình học của họ vật liệu này. 1.1.3. Các đơn vị tế bào cơ bản 1.1.3.1. Tứ diện SiO 4 Trong sét các nguyên tử sắp xếp theo hai chiều trong không gian tạo nên các mặt phẳng. Các mặt phẳng liên kết với nhau. Cấu trúc như vậy được gọi là silicat lớp hay phyllosilicate. Cấu trúc trên được xác định bằng các đơn vị cơ sở SiO 4 liên kết với nhau theo hai chiều [11, 12, 18]. Trong đơn vị cấu trúc,mỗi nguyên tử silic được bao quanh bởi bốn nguyên tử oxi tạo nên tứ diện SiO 4 như chỉ ra ở hình 1. 1. Hình 1. 1: Đơn vị cấu trúc tứ diện SiO 4 Đây là đơn vị cấu trúc cơ bản nhất của cấu trúc khoáng sét (hình 1). Các cation silic phối trí tứ diện nối với nhau bởi các liên kết cộng hóa trị qua nguyên tử oxi [8]. Khi các oxi dùng chung nhau tạo nên một mặt phẳng nguyên tử dọc theo đáy của các đơn vị cấu trúc tứ diện.Các đơn vị cơ sở nối với nhau hình thành mạng hai chiều nghĩa là đáy của cấu trúc lớp. Hình 1. 2 minh họa mạng hai chiều của khoáng sét. Hình 1.2: Các tứ diện SiO 4 liên kết với nhau tạo thành phân mạng tứ diện silic. Như chỉ ra ở hình 1.2, các oxi đáy liên kết với nhau tạo thành các lỗ lục giác trong mạng lưới nguyên tử oxi đáy. Những lỗ trống này có vai trò rất quan trọng trong cấu trúc và liên kết các lớp sét lại với nhau [12]. Thông thường, các cation trong lớp phối trí tứ diện là silic nhưng đôi khi bị thay bằng Al 3+ hoặc Fe 3+ . Người ta cho rằng tất cả các vị trí của silic trong phân lớp tứ diện Oxi Silic Oxi được sắp xếp hợp thức, tất cả các anion trong hai mặt cơ bản đều là các nguyên tử oxi [11]. 1.1.3.2. Bát diện MeO 6. Trong cấu trúc của sét còn có các cation có số phối trí 6 với các nguyên tử oxi hay các nhóm hydroxyl trong bát diện. Các cation bát diện cũng liên kết với các cation tứ diện qua nguyên tử oxi chung hay oxi đỉnh của tứ diện silic. Trong cấu trúc của sét, các nguyên tử oxi được chia thành hai loại theo hướng của lớp sét và giữa các đơn vị tứ diện và bát diện. Các cation nằm trong phân lớp phối trí bát diện gồm nhiều loại: Al 3+ , Mg 2+ , Fe 2+ Một trong những anion đỉnh nối với phân lớp tứ diện để hình thành cấu trúc lớp của sét. Các nhóm anion OH - có thể thay thế một lượng nhất định trong sét bằng các anion F - và Cl - . 1.1.3.3. Ion giữa các lớp Khi thay thế các ion có hóa trị thấp hơn silic ở phân lớp tứ diện và nhôm ở phân lớp bát diện trong sét tạo nên sự mất cân bằng điện trong cấu trúc. Để trung hòa phần điện tích dư các cation phải nằm ở trong lỗ của lớp oxi đáy. Trong trường hợp này gọi là cation đền bù điện tích. Những phiến sét hai chiều được liên kết với nhau qua các cation đền bù kiểu như vậy [17]. Do vậy các phiến sét được liên kết với nhau chặt chẽ hơn bởi các cation nằm ở trong các lỗ trống. Lỗ trống có khuynh hướng bị biến dạng thành đitrigonal khi xuất hiện các ion ở các tứ diện. Quá trình biến dạng làm thay đổi số phối trí của các ion oxi trong một lớp từ 6 xuống 3, ảnh hưởng đến sự hút các cation vào vị trí của tinh thể [18, 20]. Những ion đền bù điện tích nằm giữa các phân lớp tứ diện oxi đáy có hai loại: một loại liên kết rất chặt chẽ ở bề mặt và một loại rất dễ trao đổi. Trong các khoáng sét các cation nằm giữa các lớp bị giữ chặt chủ yếu là kali. Những ion trao đổi có khả năng [...]... vào sơn lớp vỏ tàu Phụ gia sử dụng cùng với sơn chống hà Sigma Alphagen là sét hữu cơ Vai trò của phụ gia này là làm tăng các tính năng cơ lý của sơn [22] Từ đó tăng hiệu quả của sơn khi tham gia vào việc bảo vệ tàu khỏi hầu, hà bám Khi trộn trong sơn, phụ gia này đóng vai trò làm chất làm đặc do sét hữu cơ có thành phần ưa nước là các lớp sét và nhóm kị nước là các đuôi hữu cơ của các muối amoni Trong. .. sơn đóng vai trò hết sức quan trọng, hàm lượng có thể lên đến 30% Ngoài ra Zn còn đóng vai trò làm bột màu và tăng các chỉ tiêu cơ lý của màng sơn + Lớp trung gian là lớp sơn thứ 3 trong hệ thống sơn Lớp này có thể là 1 hoặc 2 lớp sơn Vai trò của nó là chống sự thẩm thấu của nước biển vào các lớp sơn phía trong Vì vậy, lớp sơn này dày hơn các lớp khác + Lớp sơn ngoài cùng có khả năng chống hà Lớp này... dính của các động thực vật biển bào mòn các lớp sơn phía trong, huỷ hoại kết cấu thép và gây cản trở tốc độ con tàu đi trên biển 1.6 Sơn chống hà Trong các loại sơn tàu biển hiện nay, lớp sơn chống hà đóng vai trò quan trọng Sơn chống hà luôn đồng hành với công nghệ chế tạo tàu biển Nếu một con tàu không sơn chống hà thì trong 6 tháng hoạt động sẽ có khoảng 150kg hà/ m2 Một tàu chở dầu lớn thì lượng hà. .. mang điện tích âm giữa màng sơn và hầu hà, làm chúng không thể bám được vào bề mặt sơn (90% hầu hà trên thế giới mang điện tích âm) [36] 1.6.2 Thành phần sơn chống hà: Thành phần sơn chống hà khá phức tạp, dưới đây là thành phần chính của sơn chống hà Sigma Alphagen 240 của Công ty SigmaKalon, Belgium [33] Bảng 1.1: Thành phần sơn chống hà Sigma Alphagen 240 STT Tên chất Thành phần (%) 1 Xylen 2.50... trong dung môi Kết quả của việc thêm sét hữu cơ vào thành phần của sơn như thế tiết kiệm được giá thành do không dùng dung môi và giảm thời gian phân tán sét hữu cơ trước khi thêm vào sơn Thông thường sét hữu cơ được sử dụng để cải thiện tính chất lưu biến của sơn để khống chế sự tạo thành màng lỏng và ngăn sự sa lắng, đóng cặn pigment có trong sơn Trong thực tế sét hữu cơ được dùng từ 1 tới 5% trọng lượng... chống hà gỗ Cơ chế chống hà dựa trên sự khuếch tán độc tố trong nhựa đường vào cơ thể hà làm cho hà và các động thực vật biển sẽ chết khi bám lên - Cơ chế thứ hai là cơ chế thủy phân Ngày nay cơ chế này vẫn được sử dụng do chi phí thấp Sự chống hầu, hà dựa trên sự thủy phân của các độc chất trong màng sơn như các hợp chất của đồng (I) vào hà khi bám dính - Cơ chế hydrat hóa: Cơ chế này tương tự cơ. .. tăng giá thành sản phẩm, tiêu tốn dung môi 2.2 Điều chế sơn chống hà với phụ gia là sét hữu cơ 2.2.1 Dụng cụ: Máy nghiền bi; Cân; Cốc thủy tinh; Dụng cụ khuấy 2.2.2 Hóa chất: Sơn chống hà Sigma Anphagen thô (thành phần cơ bản); Sét hữu cơ; Dung môi xylen 2.2.3 Cách tiến hành: Cân 400g sơn Sigma Anphagen thô và dung môi Thêm vào đó 4g sét hữu cơ trước khi cho hỗn hợp vào máy nghiền bi, nghiền trong 8h... nghiên cứu nhiều để đáp ứng yêu cầu thương mại của công nghiệp khoan, khai thác khoáng sản, dầu khí [29] 1.4.3.3 Ứng dụng trong sơn Trong công nghiệp sơn hiện nay, montmorillonit được hữu cơ hóa và đưa vào sơn làm tăng đặc trưng lưu biến của sơn [2, 8, 26] Do đặc trưng của sét hữu cơ, người ta có thể pha trộn trực tiếp vào thành phần của sơn mà không cần phân tán trước trong dung môi Kết quả của việc... kềnh vào giữa các lớp sét dựa trên tương tác của sét và các hợp chất hữu cơ phân cực (hình 1.6) Hình 1.6: Phân tử cation hữu cơ được xen vào giữa các lớp sét tạo nên sét hữu cơ Sở dĩ bentonit có khả năng chuyển thành bentonit hữu cơ vì nó có khả năng trương phồng và hấp phụ các phân tử hữu cơ phân cực, ion hữu cơ giữa các lớp sét Như vậy những phân tử hữu cơ nhỏ có thể được xen vào giữa các lớp bentonit... der Waal [32] 1.4.3.2 Ứng dụng trong chế tạo dung dịch khoan Sét hữu cơ có khả năng trương phồng trong môi trường hữu cơ để tạo thành gel nếu lực tác dụng bên ngoài (lực khuấy) đủ mạnh và nếu pha hữu cơ chứa các phân tử phân cực và không phân cực Khi cho sét hữu cơ vào dung dịch khoan, xảy ra hiện tượng solvat hóa sét trong dung dịch khoan kéo các phân tử dung môi trong thành phần dung dịch khoan làm . HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Thị Thùy Khuê NGHIÊN CỨU VAI TRÒ CỦA SÉT HỮU CƠ TRONG SƠN CHỐNG HÀ Chuyên ngành: Hóa dầu và Xúc tác Hữu cơ Mã số:60.44.35. HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Thị Thùy Khuê NGHIÊN CỨU VAI TRÒ CỦA SÉT HỮU CƠ TRONG SƠN CHỐNG HÀ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm. 2.1.1. Xử lý sét thô 2.1.2. Điều chế sét hữu cơ 2.2. Điều chế sơn chống hà với phụ gia là sét hữu cơ 32 2.3. Các phƣơng pháp nghiên cứu đặc trƣng của sét 33 2.3.1. Nhiễu xạ tia X. 2.3.2.