Nghiên cứu chế tạo lớp phủ polyme nanocompozit bảo vệ chống ăn mòn sử dụng nano oxit sắt từ fe3o4

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ -oOo - NGUYỄN THU TRANG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHỦ POLYME NANOCOMPOZIT BẢO VỆ CHỐNG ĂN MÒN SỬ DỤNG NANO OXIT SẮT TỪ Fe3O4 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Hà Nội, 2018 VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ -oOo - NGUYỄN THU TRANG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHỦ POLYME NANOCOMPOZIT BẢO VỆ CHỐNG ĂN MÒN SỬ DỤNG NANO OXIT SẮT TỪ Fe3O4 Chuyên ngành : Vật liệu cao phân tử tổ hợp Mã số : 62.44.01.25 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trịnh Anh Trúc PGS.TS Nguyễn Xuân Hoàn Hà Nội, 2018 LỜI CẢM ƠN Luận án Tiến sĩ thực Viện Kỹ thuật Nhiệt đới, Viện Hàn lâm Khoa học & Công nghệ Việt Nam Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến: - PGS.TS Trịnh Anh Trúc PGS.TS Nguyễn Xuân Hoàn - người hướng dẫn khoa học; - TS Trần Hùng Thuận cán cán nghiên cứu Trung tâm Công nghệ Vật liệu - Viện Ứng dụng Công nghệ; - PGS.TS Tô Thị Xuân Hằng, TS Phạm Gia Vũ, ThS Nguyễn Thùy Dương, KS Vũ Kế Oánh, CN Bùi Văn Trước – Phòng nghiên cứu sơn bảo vệ Viện Kỹ thuật Nhiệt đới; - Người thân, bạn bè giúp tơi hồn thành luận án Nghiên cứu luận án hoàn thành với hỗ trợ kinh phí nghiên cứu từ nguồn đề tài Quỹ Phát triển Khoa học Công nghệ Quốc gia Việt Nam (NAFOSTED, 104.01-2011.01) Đại học Quốc gia Hà Nội (QG.12.05) Xin chân thành cảm ơn Tác giả Nguyễn Thu Trang i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn PGS.TS Trịnh Anh Trúc PGS.TS Nguyễn Xuân Hoàn Các số liệu, kết luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận án Nguyễn Thu Trang ii MỤC LỤC DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ix MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ OXIT SẮT 1.1.1 Sắt (II) oxit 1.1.2 Sắt (III) oxit 1.1.3 Oxit sắt từ (Fe3O4) 1.1.3.1 Cấu trúc tính chất Fe3O4 1.1.3.2 Các phương pháp điều chế nano oxit sắt từ Fe3O4 1.1.3.3 Một số ứng dụng nano oxit sắt từ Fe3O4 11 1.2 BIẾN TÍNH BỀ MẶT HẠT OXIT SẮT TỪ 12 1.2.1 Đặc tính bề mặt hạt nano sắt từ 12 1.2.2 Biến tính bề mặt oxit sắt từ 13 1.3 LỚP PHỦ POLYME NANOCOMPOZIT BẢO VỆ CHỐNG ĂN MÒN KIM LOẠI 16 1.3.1 Lớp phủ hữu bảo vệ chống ăn mòn 16 1.3.1.1 Thành phần 16 1.3.1.2 Cơ chế hoạt động lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn 18 1.3.2 Giới thiệu epoxy 21 1.3.2.1 Nhựa epoxy 21 1.3.2.2 Đóng rắn nhựa epoxy 23 1.3.3 Màng phủ nanocompozit chứa hạt nano oxit sắt từ bảo vệ chống ăn mòn kim loại 26 1.3.3.1 Lớp gỉ sắt - vai trò ăn mòn bảo vệ chống ăn mòn 26 1.3.3.2 Màng phủ nanocompozit mang oxit sắt bảo vệ chống ăn mòn 28 iii 1.3.3.3 Màng phủ nanocompozit nhựa epoxy mang nano oxit sắt từ bảo vệ chống ăn mòn 29 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 33 2.1 NGUYÊN LIỆU - HÓA CHẤT 33 2.2 TỔNG HỢP VÀ BIẾN TÍNH NANO OXIT SẮT 34 2.2.1 Chế tạo nano oxit sắt phương pháp tổng hợp thủy nhiệt 34 2.2.1.1 Chế tạo nano α-Fe2O3 34 2.2.1.2 Chế tạo nano Fe3O4 34 2.2.1.3 Chế tạo nano γ-Fe2O3 35 2.2.2 Biến tính nano oxit sắt từ với hợp chất hữu 35 2.2.2.1 Biến tính nano oxit sắt từ với silan 35 2.2.2.2 Biến tính nano oxit sắt từ với chất ức chế ăn mòn 35 2.3 CHẾ TẠO MÀNG SƠN CHỨA CÁC HẠT NANO OXIT SẮT VÀ NANO OXIT SẮT TỪ BIẾN TÍNH HỮU CƠ HĨA 36 2.4 PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU 36 2.4.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X 36 2.4.2 Phương pháp phổ hồng ngoại 36 2.4.3 Phương pháp phổ tử ngoại khả kiến 37 2.4.4 Phương pháp phân tích nhiệt 37 2.4.5 Phương pháp hiển vi điện tử quét SEM 37 2.4.6 Phương pháp đo Zeta 38 2.4.7 Phương pháp đo từ độ bão hòa 38 2.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT MÀNG PHỦ 39 2.5.1 Các phương pháp đánh giá tính chất lý 39 2.5.1.1 Độ bền va đập 39 2.5.1.2 Độ bám dính 39 2.5.2 Phương pháp đánh giá khả bảo vệ ăn mòn màng sơn 40 2.5.2.1 Phương pháp tổng trở điện hóa 40 2.5.2.2 Phương pháp thử nghiệm mù muối 42 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43 3.1 TÍNH CHẤT VÀ ĐẶC TRƯNG CỦA CÁC HẠT NANO OXIT SẮT 43 3.1.1 Đặc trưng tính chất hạt nano oxit sắt từ 43 3.1.2 Đặc trưng tính chất hạt nano α-Fe2O3 45 3.1.3 Đặc trưng tính chất hạt nano γ-Fe2O3 47 3.1.4 Khảo sát khả bảo vệ chống ăn mòn lớp phủ chứa hạt nano oxit sắt 51 3.1.5 Đặc tính lý lớp phủ hữu chứa hạt nano oxit sắt 56 3.1.6 Hình thái cấu trúc lớp phủ epoxy chứa 3% nano oxit sắt từ Fe3O4 58 3.2 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG BẢO VỆ CỦA LỚP MÀNG PHỦ EPOXY CHỨA CÁC HẠT NANO OXIT SẮT TỪ Fe3O4 VÀ NANO OXIT SẮT TỪ BIẾN TÍNH HỮU CƠ HĨA 60 3.2.1 Khảo sát khả bảo vệ chống ăn mòn lớp phủ epoxy chứa hạt nano oxit sắt từ biến tính silan 60 3.2.1.1 Đặc trưng hạt nano oxit sắt từ biến tính silan 61 3.2.1.2 Khảo sát khả bảo vệ chống ăn mòn lớp phủ epoxy chứa hạt nano oxit sắt từ biến tính silan 69 3.2.2 Khảo sát khả bảo vệ chống ăn mòn lớp phủ epoxy chứa hạt nano oxit sắt từ biến tính với chất ức chế ăn mòn gốc hữu 76 3.2.2.1 Các đặc trưng hạt nano oxit sắt từ biến tính chất ức chế ăn mòn gốc hữu 76 3.2.2.2 Đường cong phân cực 84 3.2.2.3 Tổng trở điện hóa lớp màng epoxy chứa hạt nano oxit sắt từ biến tính chất ức chế hữu 88 3.2.2.4 Hình thái cấu trúc lớp phủ epoxy chứa oxit sắt từ biến tính hợp chất ức chế ăn mòn hữu 90 3.2.2.5 Độ bền lý 91 3.2.2.6 Thử nghiệm mù muối 93 KẾT LUẬN 97 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 98 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100 PHỤ LỤC 111 126 Zhou, Y., et al., Comparative study on the adsorption interactions of humic acid onto natural magnetite, hematite and quartz: Effect of initial HA concentration Powder Technology, 2014 251: p 1-8 127 Yamabe, H., Stabilization of the polymer-metal interface Progress in Organic Coatings, 1996 28(1): p 9-15 112 PHỤ LỤC PHỔ IR CỦA MỘT SỐ LOẠI SILAN SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN 100.0 95 90 85 1891 80 75 2262 70 113 65 1345 60 1412 55 %T 50 701 1307 1585 45 930 40 1466 35 30 1191 3355 25 814 1070 3294 20 2841 2938 15 10 0.0 4000.0 3600 3200 2800 2400 2000 1800 cm -1 1600 1400 1200 1000 800 600.0 Hình PL- Phổ IR N-(2-Aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilane (APTS) chụp thiết bị FTIR-GX-PerkinElmer 114 Hình PL- Phổ IR Tetraethoxysilane (TEOS) chụp thiết bị hồng ngoại FTIR-6300/JASCO Hình PL- Phổ IR Diethoxy(methyl)phenylsilane (DMPS) chụp thiết bị hồng ngoại FTIR-6300/JASCO 1.5 Abs pH=10 1.0 pH=3 0.5 pH=7 0.0 200.0 250.0 300.0 350.0 400.0 nm Hình PL- Đồ thị giải hấp phụ vật liệu Fe3O4 mang BTSA môi trường pH=3, pH=7 pH=10 1.0 pH=10 Abs 0.5 pH=7 pH=3 0.0 200.0 250.0 300.0 350.0 400.0 nm Hình PL- Đồ thị giải hấp phụ vật liệu Fe3O4 mang IBA môi trường pH=3, pH=7 pH=10 Figure: Experiment: NF Crucible:PT 100 µl Atmosphere:Air 20/04/2016 Procedure: RT > 800C (10 C.min-1) (Zone 2) Labsys TG Mass (mg): TG/% d TG/% /min 58.37 HeatFlow/mW Exo 0.0 2.5 -0.1 2.0 Peak :67.60 °C Peak :109.04 °C -0.2 Peak :160.45 °C 1.5 -0.3 Peak :486.33 °C Peak :542.20 °C Peak :304.69 °C -0.4 1.0 -0.5 0.5 -0.6 -1 -0.7 0.0 -0.8 Mass variation: -0.67 % -2 -0.5 -0.9 100 200 300 400 500 600 700 Furnace temperature /°C Hình PL- Giản đồ phân tích nhiệt Fe3O4 Figure: Experiment: NFAB Crucible:PT 100 µl 21/04/2016 Procedure: RT > 800C (10 C.min-1) (Zone 2) Labsys TG Atmosphere:Air Mass (mg): TG/% d TG/% /min 56.45 HeatFlow/mW Exo 2.5 -0.2 Peak :60.09 °C Peak :89.89 °C 2.0 -0.4 Peak :215.83 °C 1.5 -0.6 1.0 -0.8 0.5 -1.0 0.0 -1.2 -0.5 Mass variation: -0.91 % -1.4 -1.0 -1 -1.6 -2 -1.5 -1.8 100 200 300 400 500 600 700 Furnace temperature /°C Hình PL- Giản đồ phân tích nhiệt Fe3O4/APTS Figure: Experiment: NF-T EOS Crucible:PT 100 µl Atmosphere:Air 05/12/2016 Procedure: RT > 800C (10 C.min-1) (Zone Labsys TG Mass (mg): 2) Peak :173.92 °C TG/% d TG/% /min 66.96 HeatFlow/mW Exo 3.5 3.0 -0.0 Peak :343.80 °C 2.5 2.0 -0.4 Peak :96.62 °C 1.5 -1 1.0 -0.8 -2 Mass variation: 1.91 % 0.5 -3 0.0 -1.2 -4 Mass variation: -0.64 % -0.5 -5 100 200 300 400 500 600 700 Furnace temperature /°C Hình PL- Giản đồ phân tích nhiệt Fe3O4/TEOS Figure: Experiment: NFPhS Crucible:PT 100 µl 13/05/2016 Procedure: RT > 800C (10 C.min-1) (Zone 2) Labsys TG Atmosphere:Air Mass (mg): TG/% d TG/% /min 0.2 Peak :178.12 °C 69.07 HeatFlow/mW Exo 2.5 -0.0 Peak :336.40 °C 2.0 -0.2 Peak :100.39 °C 1.5 -0.4 -1 1.0 -0.6 -2 -3 0.5 -0.8 Mass variation: 0.88 % -4 0.0 -1.0 Mass variation: -0.16 % -5 100 200 300 400 500 600 700 Furnace temperature /°C Hình PL- Giản đồ phân tích nhiệt Fe3O4/DMPS Figure: Experiment: NF-BT SA Crucible:PT 100 µl Atmosphere:Air 13/05/2016 Procedure: RT > 800C (10 C.min-1) (Zone 2) Labsys TG Mass (mg): TG/% d TG/% /min 55.27 HeatFlow/mW Peak :234.68 °C Exo Peak :383.13 °C 2.5 -0.0 2.0 Peak :102.04 °C -0.2 1.5 Peak :610.24 °C 1.0 -0.4 -2 0.5 -0.6 Mass variation: 0.99 % -4 0.0 -6 Mass variation: -0.36 % -0.8 -0.5 -8 100 200 300 400 500 600 700 Furnace temperature /°C Hình PL- 10 Giản đồ phân tích nhiệt Fe3O4/BTSA Figure: Experiment: NF-T BA Crucible:PT 100 µl 13/05/2016 Procedure: RT > 800C (10 C.min-1) (Zone 2) Labsys TG Atmosphere:Air Mass (mg): TG/% d TG/% /min HeatFlow/mW 0.2 Peak :205.56 °C 85.06 Exo 2.5 -0.0 2.0 Peak :108.49 °C 1.5 -0.2 Peak :534.01 °C 1.0 -0.4 0.5 -4 -0.6 Mass variation: 0.84 % 0.0 -8 Mass variation: -0.47 % -0.8 -0.5 100 200 300 400 500 600 700 Furnace temperature /°C Hình PL- 11 Giản đồ phân tích nhiệt Fe3O4/IBA ... đề tài Nghiên cứu chế tạo lớp phủ polyme nanocompozit bảo vệ chống ăn mòn sử dụng nano oxit sắt từ Fe3O4 nhằm nghiên cứu, chế tạo lớp phủ nanocompozit sở epoxy /nano Fe3O4, epoxy /nano Fe3O4 hữu... nano oxit sắt từ bảo vệ chống ăn mòn kim loại 26 1.3.3.1 Lớp gỉ sắt - vai trò ăn mòn bảo vệ chống ăn mòn 26 1.3.3.2 Màng phủ nanocompozit mang oxit sắt bảo vệ chống ăn mòn 28 iii 1.3.3.3... So sánh khả bảo vệ chống ăn mòn lớp màng epoxy chứa hạt oxit sắt tổng hợp - Chế tạo đánh giá hiệu bảo vệ chống ăn mòn thép lớp màng epoxy chứa hạt nano oxit sắt từ nano oxit sắt từ biến tính