Chế tạo và định hướng ứng dụng của vật liệu màng Compozit trên cơ sở nền nhựa Epoxy/(nano) oxit sắt từ pha tạp nguyên tố coban

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - ĐẶNG THẾ BÁCH CHẾ TẠO VÀ ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU MÀNG COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ NỀN NHỰA EPOXY / (NANO) OXIT SẮT TỪ PHA TẠP NGUYÊN TỐ COBAN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2013 i ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - ĐẶNG THẾ BÁCH CHẾ TẠO VÀ ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU MÀNG COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ NỀN NHỰA EPOXY / (NANO) OXIT SẮT TỪ PHA TẠP NGUYÊN TỐ COBAN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2013 ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - ĐẶNG THẾ BÁCH CHẾ TẠO VÀ ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU MÀNG COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ NỀN NHỰA EPOXY / (NANO) OXIT SẮT TỪ PHA TẠP NGUYÊN TỐ COBAN Chuyên ngành : Hoá lý thuyết Hóa lý Mã số : 60.44.31 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN XUÂN HOÀN Hà Nội - 2013 iii Luận văn Thạc sỹ Đặng Thế Bách LỜI CẢM ƠN Bản luận văn Thạc sĩ Khoa học thực Phịng thí nghiệm Nhiệt động học Hố keo, Bộ mơn Hố lý, Khoa Hoá học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Phòng nghiên cứu sơn bảo vệ chống ăn mòn, Viện Kỹ thuật Nhiệt đới, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam Tôi xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Xuân Hoàn, người trực tiếp giao đề tài tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Với lịng biết ơn sâu sắc, xin bày tỏ lời cảm ơn tới PGS.TS Trịnh Anh Trúc hỗ trợ điều kiện tốt để giúp tơi thực hiện, hồn thành phần khối lượng thí nghiệm cho luận văn Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới tất anh chị em bạn Phịng thí nghiệm Nhiệt động học Hố keo giúp đỡ nhiều suốt thời gian thực luận văn Nghiên cứu thực luận văn hỗ trợ phần kinh phí đề tài cấp Đại học Quốc gia Hà Nội (QG.12.05) Quỹ Phát triển Khoa học Công nghệ Quốc gia Việt Nam (NAFOSTED, 104.01-2011.01) Hà Nội, tháng năm 2013 Đặng Thế Bách iii Luận văn Thạc sỹ Đặng Thế Bách Mục lục DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vii DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU ix MỞ ĐẦU Chƣơng : TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan sắt từ (Fe3O4) Fe3O4 pha tạp nguyên tố Coban 1.1.1 Oxit sắt từ Fe3O4 1.1.1.1 Cấu trúc tính chất Fe3O4 .3 1.1.1.2 Các phƣơng pháp điều chế nano oxit sắt từ Fe3O4 1.1.1.3 Đặc tính hạt nano sắt từ 1.1.1.4 Một số ứng dụng nano oxit sắt từ Fe3O4 1.1.2 Oxit sắt từ (Fe3O4) pha tạp nguyên tố Coban 1.2 Tổng quan lớp phủ compozit sở nhựa epoxy bảo vệ chống ăn mòn kim loại 10 1.2.1 Nhựa epoxy 10 1.2.2 Lớp phủ hữu bảo vệ chống ăn mòn .12 1.2.2.1 Thành phần 12 1.2.2.2 Cơ chế hoạt động lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn 14 1.2.3 Hạt nano oxit sắt từ màng phủ nanocompozit bảo vệ chống ăn mòn kim loại 16 1.2.3.1 Vai trò lớp màng oxit sắt ăn mòn bảo vệ chống ăn mòn 16 1.2.3.2 Lớp màng oxit thụ động 17 1.2.3.3 Sự tạo thành gỉ sắt, nguyên nhân ăn mòn 17 1.2.4 Màng phủ nanocompozit mang nano oxit sắt từ bảo vệ chống ăn mòn 19 1.3 Khái niệm ăn mòn, phƣơng pháp bảo vệ chống ăn mòn 20 1.3.1 Ăn mòn kim loại 20 1.3.2 Các phƣơng pháp bảo vệ chống ăn mòn kim loại .20 1.3.2.1 Phƣơng pháp hợp kim hóa 20 iv Luận văn Thạc sỹ Đặng Thế Bách 1.3.2.2 Phƣơng pháp xử lý môi trƣờng .21 1.3.2.3 Phƣơng pháp sơn phủ bề mặt kim loại 21 Chƣơng : THỰC NGHIỆM 23 2.1 Hóa chất, dụng cụ thiết bị 23 2.1.1 Hóa chất .23 2.1.2 Dụng cụ thiết bị .23 2.2 Tổng hợp loại vật liệu từ tính phƣơng pháp thủy nhiệt 24 2.2.1 Điều chế vật liệu từ tính nano Fe3O4 24 2.2.2 Điều chế vật liệu từ tính Fe3O4 pha tạp Coban tỉ lệ .24 2.2.3 Biến tính nano Fe3O4 N-APS 24 2.2.4 Chế ta ̣o màng sơn bảo vệ thép kỹ thuật 24 2.2.4.1 Nền kim loại nghiên cứu .24 2.2.4.2 Chế ta ̣o màng sơn bảo vệ sở nhựa epoxy epoxy có phân tán hạt nano Fe3O4, Fe3O4 pha tạp nguyên tố Co oxit sắt biến tính với Silan 25 2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 26 2.3.1 Phƣơng pháp phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 26 2.3.2 Phƣơng pháp phổ hồng ngoại (FTIR) 27 2.3.3 Phƣơng pháp đo zeta 27 2.3.4 Nghiên cứu hình thái học vật ỉiệu kính hiển vi điên tử quét (SEM) 29 2.3.5 Phƣơng pháp tổ ng trở điê ̣n hóa 29 2.3.5.1 Đặc điểm chung phƣơng pháp tổng trở điện hóa 29 2.3.5.2 Nguyên tắc phƣơng pháp tổng trở điện hóa 30 2.3.6 Phƣơng pháp xác đinh ̣ đô ̣ bám dính 31 2.3.7 Phƣơng pháp xác đinh ̣ đô ̣ bề n va đâ ̣p 32 Chƣơng : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33 3.1 Chế tạo vật liệu nano Fe3O4, Fe3O4 pha tạp nguyên tố Co 33 3.1.1 Cấu trúc tinh thể vật liệu Fe3O4, Fe3O4-x%Co từ giản đồ nhiễu xạ tia X 33 v Luận văn Thạc sỹ Đặng Thế Bách 3.1.2 Khảo sát hình thái học kích thƣớc hạt vật liệu nano Fe3O4-x%Co kết hợp phân tích nguyên tố EDX 34 3.1.3 Đặc trƣng phổ hồng ngoại FT-IR vật liêu Fe3O4, Fe3O4-x%Co 37 3.1.4 Điện bề mặt vật liệu nano Fe3O4, Fe3O4-x%Co .38 3.1.5 Tính chất từ vật liệu 39 3.2 Biến tính vật liệu Fe3O4 với hợp chất ghép nối silan N-APS 42 3.3 Kết khảo sát tính chất bảo vệ chống ăn mòn thép lớp phủ epoxy chứa nano oxit sắt, oxit sắt biến tính Silan nano Fe3O4 pha tạp với Coban 44 3.3.1 Khả bảo vệ chống ăn mòn thép lớp phủ epoxy chứa nano Fe3O4 nano Fe3O4 biến tính với hợp chất silan 44 3.3.2 Khả bảo vệ chống ăn mòn thép lớp phủ epoxy chứa nano Fe3O4 pha tạp Coban 48 3.3.3 Khảo sát tính chất lý màng sơn 52 KẾT LUẬN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 PHỤ LỤC: Cơng trình khoa học công bố liên quan đến luận văn vi Luận văn Thạc sỹ Đặng Thế Bách DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể Fe3O4 Hình 2.1: Hiện tượng nhiễu xạ tia X mặt tinh thể chất Hình 2.2: Sơ đồ bình đo điện hóa Hình 3.1: Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu vật liệu Fe3O4 pha tạp Co với tỷ lệ khác Hình 3.2: Phổ EDX vật liệu Fe3O4 pha tạp 5% Co Hình 3.3: Ảnh chụp SEM mẫu vật liệu Fe3O4 pha tạp nguyên tố 2,5% Coban Hình 3.4: Ảnh chụp SEM mẫu vật liệu Fe3O4 pha tạp nguyên tố 5% Coban Hình 3.5: Ảnh chụp SEM mẫu vật liệu Fe3O4 pha tạp nguyên tố 7,5% Coban Hình 3.6: Ảnh chụp SEM mẫu vật liệu Fe3O4 pha tạp nguyên tố 10% Coban Hình 3.3: Ảnh chụp SEM mẫu vật liệu Fe3O4 pha tạp nguyên tố 2,5% Coban Hình 3.4: Ảnh chụp SEM mẫu vật liệu Fe3O4 pha tạp nguyên tố 5% Coban Hình 3.5: Ảnh chụp SEM mẫu vật liệu Fe3O4 pha tạp nguyên tố 7,5% Coban Hình 3.6: Ảnh chụp SEM mẫu vật liệu Fe3O4 pha tạp nguyên tố 10% Coban Hình 3.7: Phổ hồng ngoại FTIR Fe3O4, Fe3O4 pha tạp nguyên tố Co Hình 3.8: Các giản đồ phân bố điện bề mặt – Thế Zeta mẫu vật liệu Fe3O4, Fe3O4 pha tạp Co Hình 3.9: Khảo sát định tính tính chất từ vật liệu Hình 3.10: Đường cong từ hóa mẫu vật liệu Fe3O4, Fe3O4 pha tạp Co Hình 3.11: Đồ thị biểu thị mối quan hệ từ độ bão hòa (Ms), từ dư (Mr) lực kháng từ (Hc) vật liệu Hình 3.11: Đồ thị biểu thị mối quan hệ từ độ bão hòa (Ms), từ dư (Mr) lực kháng từ (Hc) vật liệu Hình 3.12: Phổ hồng ngoại FTIR Fe3O4 biến tính với N-APS Hình 3.13: Các giản đồ phân bố điện bề mặt – Thế Zeta mẫu vật liệu Fe3O4,và Fe3O4 biến tính với silan N-APS Hình 3.14 :Phổ tổng trở màng sơn sau ngày ngâm dung dịch NaCl 3% vii Luận văn Thạc sỹ Đặng Thế Bách Hình 3.15: Phổ tổng trở thép phủ màng sơn epoxy (a), epoxy chứa 3%Fe3O4 (b), epoxy chứa3% Fe3O4 biến tính với silan N-APS (c) sau 56 ngày ngâm dung dịch NaCl 3% Hình 3.16 : Biến thiên giá trị modul tổng trở tần số 1Hz theo thời gian thử nghiệm dung dịch NaCl % mẫu thép phủ màng epoxy, epoxy chứa 3% nano Fe3O4, epoxy chứa 3% nano Fe3O4 biến tính silan Hình 3.17: Ảnh FESEM mặt cắt màng epoxy , epoxy chứa % nano Fe3O4 , epoxy chứa % Fe3O4 biến tính với silan Hình 3.18:Phổ tổng trở mẫu thép phủ màng sơn epoxy B, mẫu epoxy chứa 3% BFn , mẫu Fe3O4 pha tạp Co sau ngày ngâm dung dịch NaCl 3% Hình 3.19 :Phổ tổng trở mẫu thép phủ màng sơn epoxy, mẫu epoxy chứa 3% Fe3O4), mẫu Fe3O4 pha tạp Co sau 56 ngày ngâm dung dịch NaCl 3% Hình 3.20:Biến thiên giá trị modul tổng trở tần số 1Hz theo thời gian thử nghiệm dung dịch NaCl % mẫu thép phủ màng epoxy, epoxy chứa % Fe3O4 epoxy chứa 3% Fe3O4 pha tạp Co với hàm lượng khác Hình 3.21: Ảnh FESEM mặt cắt màng epoxy % nano Fe3O4 , epoxy chứa % nano Fe3O4 pha tạp với 2,5 % coban viii Luận văn Thạc sỹ Đặng Thế Bách DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 3.1 Thế Zeta trung bình (ζ) mẫu Fe3O4, Fe3O4 pha tạp Zn Bảng 3.2 Tính chất từ tính mẫu Fe3O4 pha tạp Co Bảng 3.3 Thế Zeta trung bình (ζ) Fe3O4,và Fe3O4 biến tính với silan N-APS Bảng 3.4 Kết đo độ bám dính độ bền va đập màng sơn ix