nghiên cứu ảnh hưởng của các hạt nano tới hình thái cấu trúc và tính chất bảo vệ chống ăn mòn của lớp phủ epoxy

đại học quốc gia hà nội Tr-ờng đại học khoa học tự nhiên Phạm Minh Hoàng Nghiên cứu ảnh h-ởng của các hạt nano tới hình thái cấu trúc và tính chất bảo vệ chống ăn mòn của lớp phủ epoxy Luận văn thạc sĩ khoa học Hà Nội - 2011 đại học quốc gia hà nội Tr-ờng đại học khoa học tự nhiên Phạm Minh Hoàng Nghiên cứu ảnh h-ởng của các hạt nano tới hình thái cấu trúc và tính chất bảo vệ chống ăn mòn của lớp phủ epoxy Chuyên ngành: Húa lớ thuyt v Húa lớ Mã số: 60 44 31 Luận văn thạc sĩ khoa học Ng-ời h-ớng dẫn khoa học TS. NGUYễN TUấN ANH Hà Nội - 2010 MC LC M U 1 Chng 1 TNG QUAN 3 1.1. ĂN MòN KIM LOạI và các ph-ơng pháp bảo vệ chống ăn mòn kim loại 3 1.1.1. ăn mòn kim loại 3 1.1.2. Các biện pháp bảo vệ kim loại chống ăn mòn điện hóa 6 1.2. NHựA EPOXY và ứng dụng 15 1.2.1 Tổng quan về nhựa epoxy 15 1.2.2 ứng dụng của nhựa epoxy 22 1.3. LớP PHủ EPOXY và epoxy NANOCOMPOZIT 23 1.3.1. Hạn chế của lớp phủ epoxy 23 1.3.2. Ưu điểm của lớp phủ epoxy nanocompozit 23 1.4. ph-ơng pháp đo phổ tổng trở điện hoá và ứng dụng để đánh giá khả năng bảo vệ của lớp phủ 24 1.4.1. Cơ sở ph-ơng pháp phổ tổng trỏ điện hóa EIS [17] 24 1.4.2. áp dụng ph-ơng pháp đo phổ tổng trở điện hóa để nghiên cứu lớp phủ bảo vệ kim loại [17,21] 26 Ch-ơng 2 THựC NGHIệM 33 2.1. VậT LIệU Và HóA CHấT 33 2.2. CHUẩN Bị Bề MặT CáC MẫU THéP NềN 33 2.3. CHế TạO CáC LớP PHủ Từ NHựA EPOXY X75 35 2.3.1. Xác định hàm l-ợng khô của nhựa 35 2.3.2. Xác định độ nhớt của dung dịch phủ bằng phễu chảy 36 2.4. CHế TạO CáC LớP PHủ EPOXY Và EPOXY NANOCOMPOZIT TRÊN MẫU THéP 38 2.5. ĐO Độ DàY LớP PHủ 39 2.5.1. Giới thiệu thiết bị đo [29] 39 2.5.2. Kết quả đo 39 2.6. NGHIÊN CứU HìNH THáI CấU TRúC các LớP PHủ 40 2.7. thử nghiệm mù muối 42 2.7.1. Giới thiệu ph-ơng pháp 42 2.7.2. Thiết bị và điều kiện thử nghiệm 43 2.8. Đánh giá khả năng bảo vệ ăn mòn cho thép của lớp phủ epoxy nanocompozit bằng ph-ơng pháp phổ tổng trở 44 2.8.1. Thiết bị và điều kiện thí nghiệm 44 2.8.2. Các mô hình mạch điện t-ơng đ-ơng áp dụng cho phân tích phổ tổng trở của kim loại có và không có lớp phủ bảo vệ [17,21] 46 Ch-ơng 3 KếT QUả Và THảO LUậN 52 3.1. ảnh h-ởng của các hạt nano đến hình tháI cấu trúc của lớp phủ epoxy nanocompozit 52 3.1.1. ảnh TEM của các mẫu epoxy nanocompozit tại các vị trí lớp phủ đồng nhất 52 3.1.2. ảnh TEM của các mẫu epoxy nanocompozit tại các vùng khuyết tật của lớp phủ 56 3.2. kết quả thử nghiệm mù muối 62 3.3. ảnh h-ởng của các hạt nano đến khả năng bảo vệ chống ăn mòn cho thép của lớp phủ 66 3.3.1. Khả năng bảo vệ cho thép của lớp phủ epoxy 70 3.2.2. Khả năng bảo vệ cho thép của lớp phủ epoxy nanocompozit 73 KếT LUậN 76 TàI LIệU THAM KHảO 77 DANH MụC HìNH Ch-ơng 1 Tổng Quan Hình 1.1: Giảm đồ Pourbaix E(V)-pH cho Fe/H 2 0 tại 25 o C [38] 10 Hình 1.2: Bảo vệ catốt bằng dòng điện ngoài và anốt hy sinh 10 Hình 1.3: Cấu trúc nhóm epoxy hay oxiran 15 Hình 1.4: Cấu trúc của nhựa epoxy 15 Hình 1.5: Mối quan hệ giữa khả năng bám dính cao của nhựa epoxy và số nhóm hydroxyl trong phân tử của nó 16 Hình 1.6: Thế xoay chiều và dòng xoay chiều lệch pha 24 Hình 1.7: Giản đồ Nyquist với vectơ trở kháng 25 Hình 1.8: Mô hình mạch điện t-ơng đ-ơng phổ biến nhất [17,21] 27 Ch-ơng 2 THựC NGHIệM Hình 2.1: Các mẫu thép đ-ợc cắt theo kích th-ớc 5ì5 cm 34 Hình 2.2: Máy cắt dập thép 34 Hình 2.3: Bảo quản các mẫu thép sau khi đã chuẩn bị bề mặt tr-ớc khi sơn phủ 35 Hình 2.4: Đo độ nhớt của dung dịch sơn: a) phễu VZ4, b) dụng cụ đo 36 Hình 2.5: Các mẫu thép đ-ợc phủ bởi các lớp epoxy và epoxy nanocompozit 38 Hình 2.6 Thiết bị đo độ dày Minites 600 39 Hình 2.7: Đúc mẫu epoxy nanocompozit trên con nhộng để cắt lát 40 Hình 2.8: Máy cắt lắt siêu mỏng (Ultracut E, Leica) 41 Hình 2.9: Các mẫu trên l-ới Nikel có màng collodion-các bon 41 Hình 2.10: Kính hiển vi điện tử truyền qua (JEM1010, JEOL, Nhật Bản) 42 Hình 2.11: Thiết bị thử nghiệm mù muối S1000 WEISS-Technik 43 Hình 2.12: Thiết bị AUTOLAB PGSTAT 30 của hãng Ecochemie 45 Hình 2.13: Kim loại trần đ-ợc ngâm trong dung dịch chất điện li 46 Hình 2.14: Mạch điện t-ơng đ-ơng ứng với hình 2.13 46 Hình 2.15: Phổ tổng trở của kim loại trần trong dung dịch chất điện li 47 Hình 2.16: Kim loại có lớp phủ hoàn hảo ngâm trong dung dịch chất điện li 47 Hình 2.17: Mạch điện t-ơng đ-ơng ứng với hình 2.16 47 Hình 2.18: Phổ tổng trở của kim loại có lớp phủ hoàn hảo ngâm trong dung dịch chất điện li 48 Hình 2.19: Kim loại có lớp phủ sai hỏng ở giai đoạn 1 ngâm trong dung dịch chất điện li. 49 Hình 2.20: Mạch điện t-ơng đ-ơng ứng với hình 2.19 49 Hình 2.21: Phổ tổng trở của kim loại có lớp phủ sai hỏng ở giai đoạn 1 ngâm trong dung dịch chất điện li 49 Hình 2.22: Kim loại có lớp phủ bị sai hỏng ở giai đoạn 2 ngâm trong dung dịch chất điện li 50 Hình 2.23: Mạch điện t-ơng đ-ơng ứng với hình 2.22 50 Hình 2.24: Phổ tổng trở của kim loại có lớp phủ sai hỏng ở giai đoạn 2 ngâm trong dung dịch chất điện li 51 Ch-ơng 3 KếT QUả Và THảO LUậN Hình 3.1: ảnh TEM của lớp phủ epoxy không có hạt nanô ( 120 000 lần) 54 Hình 3.2: ảnh TEM của lớp phủ epoxy chứa hạt nanô Fe 2 O 3 ( 120 000 lần) 54 Hình 3.3: ảnh TEM của lớp phủ epoxy chứa hạt nanô SiO 2 ( 150 000 lần) 55 Hình 3.4: ảnh TEM của lớp phủ epoxy chứa hạt nanô ZnO ( 80 000 lần) 55 Hình 3.5: ảnh TEM của lớp phủ epoxy chứa hạt nanô TiO 2 ( 80 000 lần) 56 Hình 3.6: ảnh TEM của lớp phủ epoxy không có hạt nanô tại vị trí có khuyết tật ( 80 000 lần) 58 Hình 3.7: ảnh TEM của lớp phủ epoxy có hạt nanô Fe 2 O 3 tại vị trí có khuyết tật ( 80 000 lần) 59 Hình 3.8: ảnh TEM của lớp phủ epoxy có hạt nanô Fe 2 O 3 tại vị trí có khuyết tật ( 80 000 lần) 59 Hình 3.9: ảnh TEM của lớp phủ epoxy có hạt nanô ZnO tại vị trí có khuyết tật ( 100 000 lần) 60 Hình 3.10: ảnh TEM của lớp phủ epoxy có hạt nanô TiO 2 tại vị trí có khuyết tật ( 80 000 lần) 60 Hình 3.11: mẫu thép có lớp phủ và vết rạch tr-ớc khi thử nghiệm 62 Hình 3.12: Lớp phủ epoxy sau 24 giờ thử nghiệm (a) và 48 giờ thử nghiệm (b) 62 Hình 3.13: Lớp phủ epoxy + TiO 2 sau 24 giờ thử nghiệm (a) và 48 giờ thử nghiệm (b) 63 Hình 3.14: Lớp phủ epoxy + SiO 2 sau 24 giờ thử nghiệm (a) và 48 giờ thử nghiệm (b) 63 Hình 3.15: Lớp phủ epoxy + ZnO sau 24 giờ thử nghiệm (a) và 48 giờ thử nghiệm (b) 63 Hình 3.16: Lớp phủ epoxy + Fe 2 O 3 sau 24 giờ thử nghiệm (a) và 48 giờ thử nghiệm (b) 64 Hình 3.17: Phổ tổng trở Nyquist sau 2 giờ và 1 tuần ngâm mẫu thép trần trong dung dịch 3,5% NaCl 66 Hình 3.18: Phổ tổng trở Nyquist sau 2 giờ, 1 tuần và 8 tuần ngâm mẫu epoxy/thép trong dung dịch 3,5% NaCl 67 Hình 3.19: Phổ tổng trở Nyquist sau 2 giờ, 1 tuần và 8 tuần ngâm mẫu epoxy/nanô Fe 2 O 3 /thép trong dung dịch 3,5% NaCl 67 Hình 3.20: Phổ tổng trở Nyquist sau 2 giờ, 1 tuần và 8 tuần ngâm mẫu epoxy/nanô SiO 2 /thép trong dung dịch 3,5% NaCl 68 Hình 3.21: Phổ tổng trở Nyquist sau 2 giờ, 1 tuần và 8 tuần ngâm mẫu epoxy/nanô TiO 2 /thép trong dung dịch 3,5% NaCl 68 Hình 3.22: Phổ tổng trở Nyquist sau 2 giờ, 1 tuần và 8 tuần ngâm mẫu epoxy/nanô ZnO/thép trong dung dịch 3,5% NaCl 69 Hình 3.23: Sự biến thiên điện thế hở mạch của thép theo thời gian ngâm trong dung dịch NaCl 3,5 % khi có hay không có các lớp phủ 70 Hình 3.24: Sự biến thiên điện trở R po của lớp phủ epoxy theo thời gian ngâm trong dung dịch 3,5 % NaCl, khi không có hạt nanô và có hạt nanô SiO 2 và TiO 2 72 Hình 3.25: Sự biến thiên điện dung lớp phủ epoxy theo thời gian ngâm trong dung dịch NaCl 3,5 %, khi không có hạt nanô và có hạt nanô SiO 2 và TiO 2 73 DANH MụC bảng Ch-ơng 1 Tổng Quan Bảng 1.1: Giá trị thế ăn mòn E corr (so với điện cực chuẩn hydro NHE) của một số kim loại trong n-ớc biển nhân tạo ở 25 o C 5 Bảng 1.2: Thời gian đóng rắn hoàn toàn của nhựa epoxy với các tác nhân đóng rắn khác nhau [13] 20 Bảng 1.3: Các amin thông dụng cho quá trình đóng rắn nhựa epoxy [11] 21 Bảng 1.4: ảnh h-ởng của nhiệt độ đóng rắn đến khả năng kết dính của epoxyDGEBA với hai amin béo khác nhau [23] 22 Ch-ơng 2 THựC NGHIệM Bảng 2.1: Kết quả đo độ dày lớp phủ epoxy 39 Ch-ơng 3 KếT QUả Và THảO LUậN Bảng 3.1: Tổng hợp kích th-ớc và diện tích bề mặt riêng của các hạt oxit nanô 53 DANH MụC chữ viết tắc trong luận văn EIS: Electrochemical Impedance Spectroscopy CPE: Constant Phase Element [...]... tài nghiên cứu có tên là: Nghiên cứu ảnh h-ởng của các hạt nanô tới hình thái cấu trúc và tính chất bảo vệ chống ăn mòn của lớp phủ epoxy Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu ảnh h-ởng của các hạt nanô tới hình thái cấu trúc và tính chất bảo vệ chống ăn mòn cho thép của lớp phủ epoxy Nội dung nghiên cứu: - Nghiên cứu chế tạo các hệ lớp phủ epoxy nanocompozit trên nền thép - Nghiên cứu hình thái cấu trúc. .. trúc của các hệ lớp phủ epoxy nanocompozit - Nghiên cứu khả năng bảo vệ chống ăn mòn cho thép của các hệ lớp phủ epoxy nanocompozit Ph-ơng pháp nghiên cứu: - Nghiên cứu quy trình công nghệ chế tạo lớp phủ epoxy nanocompozit, sử dụng 4 loại hạt oxit nanô khác nhau (SiO2, Fe2O3, TiO2, ZnO) - Nghiên cứu hình thái cấu trúc của các hệ lớp phủ epoxy nanocompozit bằng kính hiển vi điện tử truyền qua - Nghiên. .. làm lớp phủ sơn phủ bảo vệ, bền môi tr-ờng xâm thực 1.3 LớP PHủ EPOXY và Epoxy NANOCOMPOZIT 1.3.1 Hạn chế của lớp phủ epoxy Epoxy đ-ợc sử dụng rộng rãi làm lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn cho kim loại nhờ các đặc tính dễ gia công, rất bền hoá học, cách điện tốt và bám dính tốt với các vật liệu không đồng nhất [34-39] Tuy nhiên, khả năng ứng dụng của các lớp phủ epoxy bị hạn chế bởi khả năng chịu mài mòn [28,38]... bằng các lớp che phủ là một trong các ph-ơng pháp phổ biến nhất Bản chất của việc bảo vệ là cô lập kim loại khởi tác động của môi tr-ờng xâm thực Đó là màng muối và các oxit khó tan của kim loại, các silicat, xi măng, nhựa tổng hợp, chất dẻo, sơn dầu, lớp tráng men và dầu mỡ Các lớp che phủ bảo vệ tốt phải thỏa mãn nhiều yêu cầu sau [10]: - Lớp che phủ không bị ăn mòn hay bị ăn mòn với tốc độ ăn mòn. .. điểm của lớp phủ epoxy nanocompozit Các hạt vô cơ với kích th-ớc nanô mét có thể phân tán bên trong mạng l-ới của epoxy để tạo thành vật liệu epoxy nanocompozit Sự kết hợp các hạt nanô vào nhựa epoxy là một giải pháp thân thiện môi tr-ờng nhằm tăng c-ờng độ bền của lớp phủ Các hạt nhỏ phân tán vào bên trong lớp phủ sẽ bịt kín các Trang 23 mao mạch [22, 25], tạo các cầu nối làm lệch và tạo vành ngăn các. .. [19, 20] Các hạt nanô cũng có thể hạn chế quá trình phân rã của epoxy trong khi đóng rắn để tạo ra một lớp phủ đồng nhất Thêm nữa, các lớp phủ chứa các hạt nanô có thể mang lại các tính chất che chắn vật lý trong bảo vệ chống ăn mòn và làm giảm chiều h-ớng phồng rộp hay bong tróc của lớp phủ [26, 33] 1.4 ph-ơng pháp đo phổ tổng trở điện hoá và ứng dụng để đánh giá khả năng bảo vệ của lớp phủ 1.4.1... mòn Có nhiều cách để bảo vệ chống ăn mòn kim loại Cách đơn giản và thông th-ờng nhất là che phủ kim loại bằng một lớp sơn nhằm cách ly kim loại và ngăn chặn sự xâm nhập của các tác nhân gây ăn mòn từ môi tr-ờng bên ngoài Epoxy đ-ợc sử dụng rộng rãi làm lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn cho kim loại nhờ các đặc tính nh- dễ gia công, rất bền hoá học, cách điện tốt và bám dính tốt với bề mặt các vật liệu không... hiển vi điện tử truyền qua - Nghiên cứu khả năng bảo vệ chống ăn mòn cho thép của các hệ lớp phủ epoxy nanocompozit bằng ph-ơng pháp tổng trở điện hóa trong dung dịch chứa 3.5% NaCl và ph-ơng pháp thử nghiệm mù muối Trang 2 Ch-ơng 1 TổNG QUAN 1.1 ĂN MòN KIM LOạI và các ph-ơng pháp bảo vệ chống ăn mòn kim loại 1.1.1 Ăn mòn kim loại 1.1.1.1 Hiện t-ợng ăn mòn kim loại Ăn mòn kim loại là quá trình tự phá... nhóm epoxy ở ngoài và sự xuất hiện các nhóm hydroxyl một cách đều đặn dọc theo chiều dài của mạch (hình 1.4) Hình 1.4: Cấu trúc của nhựa epoxy Trang 15 Cấu trúc và tính chất của nhựa epoxy chịu ảnh h-ởng bởi nhiều nhóm chức khác nhau trong mạch polyme Hình 1.5: Mối quan hệ giữa khả năng bám dính cao của nhựa epoxy và số nhóm hydroxyl trong phân tử của nó Từ cấu trúc của phân tử epoxy, ta có những nhận... chuyển của n-ớc và các hoá chất khác tới bề mặt kim loại để phát sinh ăn mòn bề mặt kim loại và làm bong tróc lớp phủ Một giải pháp tiên tiến nhằm nâng cao độ bền chống ăn mòn và cơ tính của lớp phủ epoxy là tiến hành phân tán các hạt vô cơ kích th-ớc nanô vào trong nhựa epoxy, để tạo thành vật liệu nanocompozit Với hy vọng làm sáng tỏ thêm quá trình t-ơng tác giữa các hạt nanô với nền nhựa epoxy, . tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu ảnh h-ởng của các hạt nanô tới hình thái cấu trúc và tính chất bảo vệ chống ăn mòn cho thép của lớp phủ epoxy. Nội dung nghiên cứu: - Nghiên cứu chế tạo các hệ lớp. lớp phủ epoxy nanocompozit trên nền thép. - Nghiên cứu hình thái cấu trúc của các hệ lớp phủ epoxy nanocompozit. - Nghiên cứu khả năng bảo vệ chống ăn mòn cho thép của các hệ lớp phủ epoxy nanocompozit h-ởng của các hạt nano đến khả năng bảo vệ chống ăn mòn cho thép của lớp phủ 66 3.3.1. Khả năng bảo vệ cho thép của lớp phủ epoxy 70 3.2.2. Khả năng bảo vệ cho thép của lớp phủ epoxy nanocompozit