Tổng hợp nano oxit kẽm sử dụng cho lớp phủ nanocompozit zno CNT poliuretan bền thời tiết

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HOC TỰ NHIÊN Nguyễn Thi Kim Cúc ̣ TỔNG HỢP NANO OXIT KẼM SỬ DỤNG CHO LỚP PHỦ NANOCOMPOZIT ZnO/CNT/POLYURETAN BỀN THỜI TIẾT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HOC TỰ NHIÊN Nguyễn Thi Kim Cúc ̣ TỔNG HỢP NANO OXIT KẼM SỬ DỤNG CHO LỚP PHỦ NANOCOMPOZIT ZnO/CNT/POLYURETAN BỀN THỜI TIẾT Chuyên Ngành: Hóa Vô Mã số: 60440113 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRỊNH ANH TRÚC Hà Nội - 2015 MỤC LỤC Trang phụ bìa Trang MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài: Mục đích nghiên cứu 10 Đối tƣợng nghiên cứu 10 Phƣơng pháp nghiên cứu Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Error! Bookmark not defined 1.1 Ăn mòn kim loại phƣơng pháp bảo vệ chống ăn mòn Error! Bookmark not defined 1.1.1 Ăn mòn kim loại Error! Bookmark not defined 1.1.2 Các phƣơng pháp bảo vệ chống ăn mòn kim loại Error! Bookmark not defined 1.2 Nano oxit kẽm Error! Bookmark not defined 1.2.1 Cấu trúc nano ZnO Error! Bookmark not defined 1.2.2 Tính chất nano ZnO Error! Bookmark not defined 1.2.3 Ứng dụng ZnO Error! Bookmark not defined 1.3 Ống nano cac bon (CNT) Error! Bookmark not defined 1.3.1 Cấu trúc CNT Error! Bookmark not defined 1.3.2 Tính chất CNT Error! Bookmark not defined 1.3.3 Ứng dụng CNT Error! Bookmark not defined 1.4 Sơn bảo vệ chống ăn mòn Error! Bookmark not defined 1.4.1 Khái niệm sơn Error! Bookmark not defined 1.4.2 Thành phần sơn Error! Bookmark not defined 1.4.3 Những yêu cầu với màng sơn Error! Bookmark not defined 1.4.4 Cơ chế hoạt động lớp sơn phủ bảo vệ chống ăn mòn Error! Bookmark not defined 1.4.5 Sơn bảo vệ chống ăn mòn sử dụng chất ức chế ăn mòn thân thiện với môi trƣờng: Error! Bookmark not defined 1.5 Tình hình nghiên cứu nƣớc Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM Error! Bookmark not defined 2.1 Hóa chất, dụng cụ thiết bị Error! Bookmark not defined 2.1.1 Hóa chất Error! Bookmark not defined 2.1.2 Dụng cụ thiết bị Error! Bookmark not defined 2.2 Tổng hợp nanocompozit ZnO/CNT Error! Bookmark not defined 2.2.1 Tổng hợp nano ZnO Error! Bookmark not defined 2.2.2 Oxi hóa CNT Error! Bookmark not defined 2.2.3 Tổng hợp ZnO/CNT với tỉ lệ khác Error! Bookmark not defined 2.2.4 Chế tạo màng sơn bảo vệ PU chứa nano ZnO/CNT với tỉ lệ khác Error! Bookmark not defined 2.3 Các phƣơng pháp nghiên cứu đặc tính vật liệu, màng sơn Error! Bookmark not defined 2.3.1 Phƣơng pháp phổ hồng ngoại Error! Bookmark not defined 2.3.2 Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) Error! Bookmark not defined 2.3.3 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) Error! Bookmark not defined 2.3.4 Phƣơng pháp tổng trở điện hóa Error! Bookmark not defined 2.3.5 Xác định độ bám dính Error! Bookmark not defined 2.3.6 Xác định độ bền va đập Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined 3.1 Tổng hợp ZnO/CNTvà khảo sát tính chất Error! Bookmark not defined 3.2 Khảo sát khả bền tử ngoại lớp phủ nanocompozit ZnO/CNT/polyuretan Error! Bookmark not defined 3.2.1 Khả chịu tử ngoại màng sơn Error! Bookmark not defined 3.2.2 Cấu trúc màng sơn Error! Bookmark not defined 3.3 Khảo sát tính chất lý màng sơn Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 11 DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ A- Bảng biểu Bảng 3.1: Các pic đặc trƣng liên kết tƣơng ứng ZnO, ZnO/CNT CNT Bảng 3.2: Tính chất lý màng sơn B- Hình vẽ Hình 1.1: Cấu trúc mạng tinh thể lục giác kiểu Wurtzite (a), mạng tinh thể lập phƣơng đơn giản kiểu muối ăn(b), mạng lập phƣơng giả kẽm (c) Hình 1.2: Sai hỏng tinh thể ZnO Hình1.3: Mô hình 3D ống nano cacbon đơn lớp đa lớp Hình 2.1: Hiện tƣợng tia X nhiễu xạ mặt tinh thể chất rắn Hình 2.2: Sơ đồ mạch điện phổ tổng trở màng sơn ngăn cách hoàn toàn kim loại khỏi dung dịch điện ly Hình 2.3: Sơ đồ mạch điện phổ tổng trở dung dịch điện li ngấm vào màng sơn nhƣng chƣa tiếp xúc với bề mặt kim loại Hình 2.4: Sơ đồ mạch điện phổ tổng trở dung dịch điện li tiếp xúc với bề mặt kim loại Hình 2.5: Sơ đồ đo tổng trở màng sơn Hình 3.1: Giản đồ nhiễu xạ tia X ZnO, 0-CNT, ZnO/CNT Hình 3.2: Phổ hồng ngoại nano ZnO (a), ZnO/CNT (b) CNT (c) Hình 3.3: Ảnh kính hiển vi điện tử quét nano ZnO/CNT Hình 3.4: Phổ tổng trở màng sơn trƣớc chiếu UV Hình 3.5: PhổPhổ tổng trở sau chu kỳ chiếu UV màng sơn Hình 3.6: Phổ Phổ tổng trở sau chu kỳ chiếu UV màng sơn Hình 3.7: Phổ Phổ tổng trở sau chu kỳ chiếu UV màng sơn Hình 3.8: Phổ Phổ tổng trở sau 11 chu kỳ chiếu UV màng sơn Hình 3.9: Biến thiên giá trị modul tổng trở tần số Hz màng sơn không chƣ́a phu ̣ gia và chƣ́a phu ̣ gia Hình3.10: Sự suy giảm độ bóng màng sơn theo thời gian chiếu UV với góc đo 600 Hình3.11: Phổ hồng ngoại (IR) màng sơn polyuretan không chứa phụ gia trƣớc (a) sau 16 chu kỳ chiếu UV (b) Hình3.12: Phổ hồng ngoại (IR) màng sơn polyuretan chứa nano ZnO trƣớc (a) sau 16 chu kỳ chiếu UV (b) Hình3.13: Phổ hồng ngoại (IR) màng sơn polyuretan chứa CNT trƣớc (a) sau 16 chu kỳ chiếu UV (b) Hình3.14: Phổ hồng ngoại (IR) màng sơn polyuretan chứa nano ZnO/CNT trƣớc (a) sau 16 chu kỳ chiếu UV (b) DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT CNT Ống nano cacbon PU Polyuretan SEM Kính hiển vi điện tử quét T Chu kỳ UV Tia tử ngoại XRD Nhiễu xạ tia X LỜI CẢM ƠN Luâ ̣n văn tha ̣c si ̃ khoa ho ̣c đƣợc thực Phòng Nghiên cứu sơn bảo vệ- Viện Kỹ thuật Nhiệt đới – Viện Hàn Lâm Khoa Học Công nghệ Việt Nam Với lòng biết ơn sâu sắc, xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trịnh Anh Trúc giao đề tài tận tình hƣớng dẫn từ kiến thức để tiếp cận thực đƣợc đề tài, cảm ơn Cô lo lắng giúp đỡ cho suốt thời gian học tập làm việc Hà Nội Tôi xin chân thành cảm ơn TS Phạm Gia Vũ, kĩ sƣ Vũ Kế Oánh tận tình giúp đỡ đóng góp nhiều ý kiến quý báu để hoàn thành luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô giáo Khoa Hóa học- Trƣờng Đại học Khoa học tự nhiên- Đại học Quốc gia Hà Nội, toàn thể cán Phòng Nghiên cứu sơn bảo vệ- Viện Kỹ thuật Nhiệt đới – Viện Hàn Lâm Khoa Học Công nghệ Việt Nam tạo điều kiện thuận lợi nhiệt tình giúp đỡ suốt thời gian qua Cuối xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè động viên khuyến khích để hoàn thành tốt công viê ̣c Hà Nội, ngày….tháng….năm… Học viên Nguyễn Thị Kim Cúc MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài: Trên giới vấn đề ăn mòn kim loại đƣợc quan tâm nghiên cứu mang tính thời thiệt hại to lớn kinh tế mà gây Theo thống kê Tổ chức ăn mòn giới ( WCO) hàng năm thiệt hại ăn mòn chiếm khoảng 3,13,3% tổng thu nhập quốc dân giới, tƣơng đƣơng 1,8 nghìn tỉ USD (chƣa kể đến ảnh hƣởng môi trƣờng, tai nạn…) Theo báo cáo NACE thiệt hại ăn mòn Mỹ năm 1998 276 tỷ USD, năm 2007 442 tỷ USD chiếm khoảng 3,4% GDP, cao thu nhập từ nông nghiệp Do việc nghiên cứu bảo vệ chống ăn mòn kim loại mang ý nghĩa to lớn, đặc biệt giai đoạn mà khoa học kỹ thuật phát triển, ngành công nghệ nhƣ vũ trụ, tên lửa, kĩ thuật hạt nhân, công nghiệp hóa học, hóa dầu… ngày đòi hỏi cao tính bảo vệ chống ăn mòn vật liệu Việc phát triển lớp phủ hữu bảo vệ chống ăn mòn kim loại vấn đề cấp thiết Các lớp phủ hữu có ƣu giá thành dễ dàng thi công điều kiện khác Để tăng thời gian bảo vệ chống ăn mòn lớp phủ hữu cơ, ngƣời ta phải đƣa vào chất ức chế ăn mòn từ hợp chất crômat VI, có hiệu tạo thành phức chất khó tan bề mặt kim loại, làm tăng độ bám dính bề mặt kim loại với lớp sơn phủ, đồng thời tăng khả bảo vệ chống ăn mòn Tuy nhiên hợp chất cromat VI có tính chất độc hại ảnh hƣởng nghiêm trọng đến môi trƣờng sức khỏe ngƣời nên ngày bị hạn chế sử dụng Vì việc nâng cao tuổi thọ lớp phủ hữu tìm kiếm chất ức chế không độc hại để thay cho hợp chất cromat VI việc có ý nghĩa đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm Trong năm gần công nghệ nano tạo nên sóng thực làm khuấy động hầu hết ngành khoa học với ứng dụng tuyệt vời Viện nghiên cứu công nghệ tiêu chuẩn Hoa Kỳ gọi công nghệ nano “cuộc cách mạng tạo nên sáng tạo sản phẩm công nghệ dịch vụ” Trong đó, vật liệu polyme nanocompozit đƣợc ý quan tâm nhà khoa học nƣớc giới chúng có nhiều tính chất trội so với vật liệu polyme compozit thông thƣờng Ống nano cacbon có tính chất lý tốt, tính chất dẫn điện, dẫn nhiệt tính chất quang học đặc biệt Trong thời gian gần đây, lớp phủ polyme nanocompozit đƣợc gia cƣờng ống nano cac bon (CNT) đƣợc đặc biệt quan tâm CNT có tác dụng tăng đáng kể tính chất lý, tính dẫn điện, dẫn nhiệt, hấp thụ quang bảo vệ chống ăn mòn vật liệu Nano oxit kẽm lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn thép độc hại, có khả chống ăn mòn cao, tạo đƣợc độ bám dính tốt độ bền UV lớp phủ polyme compozit Ở nƣớc ta nhƣ giới việc nghiên cứu ứng dụng CNT lĩnh vực vật liệu polyme nanocompozit mẻ Đặc biệt, lĩnh vực ứng dụng CNT cho việc chế tạo vật liệu polyme nanocompozit để bảo vệ chống ăn mòn lĩnh vực mới, chƣa đƣợc nghiên cứu cách hệ thống Việc nghiên cứu mở hƣớng khoa học vật liệu, ứng dụng vào việc bảo vệ chống ăn mòn cho công trình làm kim loại Vì thực đề tài “Tổng hợp nano oxit kẽm sử dụng cho lớp phủ nanocompozit ZnO/CNT/polyuretan bền thời tiết” nhằm thay hợp chất crômat độc hại, tạo loại sơn thân thiện với môi trƣờng Mục đích nghiên cứu Tôi thực đề tài với mục đích chế tạo vật liệu sơn phủ bảo vệ chống ăn mòn chịu thời tiết, đặc biệt xạ tử ngoại không độc hại thân thiện với môi trƣờng, bao gồm hai nội dung sau: - Tổng hợp nano ZnO/CNT - Chế tạo đánh giá tính chất chịu xạ tử ngoại, tính chất lý lớp phủ polyuretan nanocompozit chứa ZnO/CNT để bảo vệ chống ăn mòn cho thép cacbon Đối tượng nghiên cứu Đề tài nghiên cứu chế tạo ứng dụng ZnO/CNT chế tạo lớp phủ polyuretan nanocompozit bảo vệ chống ăn mòn cho thép cacbon 10 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Ngô Duy Cƣờng (1995), Hoá học phương pháp chế tạo sơn, NXB Đại học Tổng Hợp Hà Nội Vũ Đình Cự (2013), Cơ sở Kỹ thuật Nhiệt đới, NXB văn hóa thông tin Trần Hiệp Hải (2001), Phản ứng điện hóa ứng dụng, NXB Giáo dục Phan Ngọc Minh, Nguyễn Văn Chúc, Ngô Thị Thanh Tâm, Bùi Hùng Thắng, Thân Xuân Tình, Phan Ngọc Hồng, Lê Đình Quang, Phạm Văn Trình, Nguyễn Văn Tú, Nguyễn Bá Thăng, Cao Thị Thanh, Phan Hồng Khôi (2010), “ Nghiên cứu công nghệ chế tạo ứng dụng vật liệu ống nanocacbon”, Hội nghị Khoa học kỉ niệm 35 năm Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, ISBN: 978-604-913-011-3, tr 126-137 Nguyễn Thị Thái, Nguyễn Quang, Trần Văn Sung (2009), “ Nghiên cứu hiệu ứng gia cƣờng cacbon nanotube vật liệu polyme tổ hợp sở cao su thiên nhiên/styrene butadiene cao su thiên nhiên/polypropylene”, Tạp chí hóa học, T47(1), tr 54-60 Nguyễn Văn Tuế (1993), Giáo trình ăn mòn kim loại, NXB Đại học Tổng hợp Hà Nội Nguyễn Văn Tƣ, Alain Galerie (2002), Ăn mòn bảo vệ vật liệu, NXB Khoa học Kỹ thuật Tiếng Anh 8.A.Hernández-Péreza, F.Avilésa , A.May-Pata, A.Valadez-Gonzáleza, P.J.HerreraFrancoa, P Bartolo-Pérez (2008), “Effective properties of multiwalled carbon nanotube/epoxy composites using two different tubes”, Composites Science and Technology, Volume 68, Pages 1422–1431 Balaji Sitharaman., Lalwani, Gaurav, Allan M Henslee, Behzad Farshid, Liangjun Lin, F Kurtis Kasper, Yi-Xian Qin, Antonios G Mikos (2013), "Twodimensional nanostructure-reinforced biodegradable polymeric nanocomposites for bone tissue engineering", Biomacromolecules, 14 (3): 900–909 11 10 Bei Peng, Mark Locascio, Peter Zapol, Shuyou Li, Steven L Mielke, George C Schatz & Horacio D Espinosa (2008), “Measurements of near-ultimate strength for multiwalled carbon nanotubes and irradiation-induced crosslinking improvements‟‟, Nature Nanotechnology 3, pp 626 – 631 11 Boschloo G, Edvinsson T, Hagfeldt A, Tetsuo S (2006), „„Dye Sensitized Nanostructured ZnO Electrodes for Solar Cell Application‟‟, Elsevier, Amsterdam, pp 227-225 12 Carlos Velasco-Santos, Ana L Marti´nez-Herna´ndez, Frank T Fisher, Rodney Ruoff, and Victor M Castan (2003), “Improvement of Thermal and Mechanical Properties of Carbon Nanotube Composites through Chemical Functionalization”, Chem Mater, 15, 4470-4475 13 Cheng-Hsien Hsieh (2007), „„Spherical Zinc Oxide Nano Particles from Zinc Acetate in the Precipitation Method”, Journal of the Chinese Chemical Society, 54, 31-34 14 Collins PG, Avouris P (2000), “Nanotubes for electronics‟‟, Scientific American, pp 62-69 15 C.Jagadish, S Pearton (2006), „„Zinc Oxide Bulk, Thin Films and Nanostructures‟‟, The Australian National University 16 Dalton, Alan B.; Collins, Steve; Muñoz, Edgar; Razal, Joselito M.; Ebron, Von Howard; Ferraris, John P.; Coleman, Jonathan N.; Kim, Bog G.; Baughman, Ray H (2003), "Super-tough carbon-nanotube fibres", Nature 423 (6941): 703 17 Eric Pop, David Mann, Qian Wang, Kenneth Goodson and Hongjie Dai (2006), “Thermal Conductance of an Individual Single-Wall Carbon Nanotube above Room Temperature”, To appear in Nano Letters, Vol 18 E P M Van Westing, G M Ferrari, F M Greenen, J H W De Wit (1993), Prog Org Coat 23, 89 19 L E Evseeva, S A Tanaeva (2008), “Thermal conductivity of micro-and nanostructural epoxy composites at low temperatures”, Mechanics of Composite Materials, Volume 44, Issue 1, pp 87-92 12 20 Peng-Cheng Ma, Naveed A Siddiqui, Gad Marom,Jang-Kyo Kim (2010), “ spersion and functionalization of carbon nanotubes for polymer-based nanocomposites‟‟, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Volume 41, Issue 10, pp: 1345–1367 21 Petersen, E J.; Tu, X.; Dizdaroglu, M.; Zheng, M.; Nelson, B C (2013), "Protective Roles of Single-Wall Carbon Nanotubes in Ultrasonication-Induced DNA Base Damage", Small (2): 205 22 P.K.Bhatnagar, P.C Mathur, Inderpreet Kaur, L.M Bharadwaj, Ravindra Pandey (2008), “Optical and electrical characterization of conducting polymer-single walled carbon nanotube composite films”, J Sciendirect Carbon, 46, pp 11411144 23 Ruoyu Hong, Tingting Pan, Jianzhong Qian, Hongzhong Li (2006), "Synthesis and surface modification of ZnO nanoparticles”, Chemical engineering journal, 119 71-81 24 Saion Sinha, Saimir Barjami, Germano Iannacchione, Alexander Schwab, George Muench (2005), “Off-axis Thermal Properties of Carbon Nanotube Films‟‟, Journal of Nanoparticle Research 7, 651-657 25 Shadpour Mallakpour , Maryam Madani (2012), “Use of silane coupling agent for surface modification of zinc oxide as inorganic filler and preparation of poly(amide-imide)/zinc oxide nanocomposite containing phenylalanine moieties‟‟, Bulletin of Materials Science, Volume 35, pp 333-339 26 Tae Jin Kang, Kyung Hwa Hong, Byung Wook Ahn, Ho Yeun Kim (2011), “Rheological behavior of magnetic carbon nanotubes and their application as kevlar coating”, Fibers and Polymers, Volume 12, pp 366-370 27 T Filleter, R Bernal,S Li,H.D Espinosa (2011), “Ultrahigh Strength and Stiffness in Cross-Linked Hierarchical Carbon Nanotube Bundles”, Adv Mater (inpress) 28 Ulick R Evans (1876), “The Corrosion and Oxidation of Metals”, Arnold, London, p 82 13 29 Xin Lu and Zhongfang Chen ( 2005), “Curved Pi-Conjugation, Aromaticity, and the Related Chemistry of Small Fullerenes (