Nghiên cứu chế tạo sơn trong suốt điện từ trên cơ sở nhựa acrylic polyol dùng để bảo vệ ra đa

Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu sơn trong suốt điện từ chế tạo trên cơ sở chất tạo màng nhựa acrylic polyol kết hợp với 2,5% nanosilica biến tính, 1,5 % chất hấp thụ tia UV Tunivin 292 cùng một số pigment. Sơn đạt độ bền cơ lý, bền môi trường tốt, độ truyền qua của sóng điện từ lên tới 99%.

Hóa học Kỹ thuật mơi trường NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO SƠN TRONG SUỐT ĐIỆN TỪ TRÊN CƠ SỞ NHỰA ACRYLIC POLYOL DÙNG ĐỂ BẢO VỆ RA ĐA Phạm Xuân Thạo1*, Nguyễn Văn Đồng1, Nguyễn Huy Thanh1, Nguyễn Việt Long1, Đặng Chu Tuấn2, Phạm Minh Tuấn1 Tóm tắt: Ra đa phương tiện vô tuyến điện dùng để phát xác định vị trí mục tiêu Vì vậy, đa sử dụng rộng rãi lĩnh vực quân giao thông Các đài đa thường đặt ngồi trời nơi có thời tiết khắc nghiệt, độ ăn mịn cao nên dễ bị bong tróc, gỉ sét Do đó, cần có lớp sơn phủ vừa có tác dụng bảo vệ chống ăn mịn, trang trí vừa để sóng điện từ truyền qua gần hồn tồn Trong báo này, chúng tơi trình bày kết nghiên cứu sơn suốt điện từ chế tạo sở chất tạo màng nhựa acrylic polyol kết hợp với 2,5% nanosilica biến tính, 1,5 % chất hấp thụ tia UV Tunivin 292 số pigment Sơn đạt độ bền lý, bền môi trường tốt, độ truyền qua sóng điện từ lên tới 99% Từ khóa: Trong suốt điện từ; Nanosilica; Chống ăn mịn; Polyurethane MỞ ĐẦU Sơn lớp phủ suốt điện từ có ứng dụng to lớn ngành vơ tuyến, đa, vậy, chúng nhà khoa học giới quan tâm có nhiều cơng trình nghiên cứu Phịng thí nghiệm khơng qn Mỹ năm 70 kỉ XX nghiên cứu chế tạo loại vật liệu phủ bề mặt nhựa đàn hồi Flo có độ ổn định nhiệt thời gian dài Ở tần số 9,375 GHz độ truyền qua đạt 94%, sau tháng đặt trời thử nghiệm Florida độ truyền qua đạt 92%, ɛ=3,77, tanδ=0,055 [1] Tại Nga lớp phủ ăng ten đa có yêu cầu chọn lựa kĩ càng, mẫu lớp phủ cho ăng ten đa theo thống kê có đến loại khác nhau, bao gồm sơn cao su clo hóa, sơn epoxy,… Các ăng ten đa bắt buộc phải sử dụng sơn Nga sản xuất [2] Hải quân Mỹ quy định an ten đa, vỏ bọc an ten phải sử dụng sơn phủ chuyên dùng công nghệ thi công riêng, sơn phủ thường dùng bao gồm sơn epoxy polyimide, sơn bề mặt silicone alkyd [3] Hiện nay, đa Việt Nam chủ yếu nhập từ Nga sử dụng loại sơn epoxy (EP255, EP140,…) để tiến hành bảo dưỡng, sơn phủ Tuy nhiên, lớp sơn epoxy có nhược điểm giịn dễ bị màu, đặc biệt với mơi trường khí hậu nhiệt đới biển đảo nước ta [4] Trong báo này, nghiên cứu chế tạo sơn suốt điện từ (TSĐT) sở nhựa acrylic polyol có phụ gia nanosilca biến tính Nhựa acrylic polyol với ưu điểm bền hóa chất bền thời tiết tốt, ứng dụng rộng rãi ngành công nghiệp ôtô [5] Nanosilica làm phụ gia cho sơn với có tác dụng làm tăng tính màng sơn như: độ cứng cao, bền nhiệt, chống cào xước khả chống ăn mòn, chống tia UV [6, 7] THỰC NGHIỆM 2.1 Hóa chất thí nghiệm - Nhựa acrylic polyol: E7331-XS-70, số hydroxyl 100 mgKOH/g, Hãng Eternal Đài Loan (TQ); - Desmophen A450, hàm lượng OH: 1,0%, Hãng Bayer, Đức; - Desmodur N3300, đóng rắn dạng aliphatic polyisoxyanat HDI, hàm lượng nhóm NCO ~ 21.8 %, Hãng Bayer, Đức; - Sannix FA-703, dạng polyete polyol, số OH: 50 mgKOH/g, Nhật; 94 P X Thạo, …, P M Tuấn, “Nghiên cứu chế tạo sơn suốt … dùng để bảo vệ đa.” Nghiên cứu khoa học công nghệ - Pigment: TiO2, Xanh G.7, Vàng Y.83, Đỏ R.170, Nhật; - Nanosilica biến tính PDMS Viện Hóa học – Vật liệu - Tinuvin UV292, BASF; butylaxetat, toluen, Trung Quốc 2.2 Thiết bị Thiết bị sử dụng: Cân phân tích số; Máy nghiền sơn tầng; Cối nghiền bi sứ 5L; Máy siêu âm phân tán vật liệu; Thiết bị đo độ bền va đập Erichsen; Thiết bị lắc đo độ cứng màng sơn; Thiết bị đo độ dày màng sơn Elcometer; Thiết bị đo độ bền uốn; Tủ mù muối; Thiết bị đo tổn hao truyền qua; Máy nén khí; Súng phun sơn; Mẫu thép CT3 có kích thước 75 x 150 x 0,8 mm 2.3 Chế tạo sơn suốt điện từ sở nhựa acrylic polyol 2.3.1 Khảo sát tỷ lệ thành phần nhựa acrylic polyol Đầu tiên sơn TSĐT khảo sát tỉ lệ khác nhựa E7331 A450 để tìm tỉ lệ tối ưu, thành phần đơn khảo sát tiến hành theo bảng Bảng Khảo sát thành phần nhựa có sơn phủ Mẫu M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 Nguyên liệu E7331 (g) 10 90 80 70 60 50 40 100 A450 (g) 90 10 20 30 40 50 60 TiO2 (g) 20,2 20,2 20,2 20,2 20,2 20,2 20,2 20,2 G.7 (g) 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 Y.83 (g) 30 30 30 30 30 30 30 30 R.170 (g) 14,6 14,6 14,6 14,6 14,6 14,6 14,6 14,6 UV292 (g) 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 N3300 (g) 34 33 31 29,3 27,3 25,6 24 17,3 Toluen/BuAc tỷ lệ 300 300 300 300 300 300 300 300 1/1 (g) Để tối ưu hóa lý màng sơn, khả bảo vệ, sơn TSĐT bổ sung hóa dẻo FA-703 với hàm lượng 5%, 10%, 15%, 20% tỉ lệ đóng rắn NCO/OH 1,0, 1,3, 1,5, 1,7, 2,0, 3,0 để tìm tỉ lệ tối ưu 2.3.2 Sử dụng nanosilica làm phụ gia cho sơn suốt điện từ Nanosilica biến tính PDMS khuấy toluene máy khuấy từ vòng giờ, sau siêu âm phân tán 30 phút Trộn hỗ hợp nanosilica phân tán vào sơn TSĐT tiếp tục siêu âm thêm 30 phút Nanosilica biến tính đưa vào sơn TSĐT với tỉ lệ 1%, 1,5%, 2%, 2,5%, 3%, 5% phần khối lượng nhựa, từ tìm tỉ lệ tối ưu 2.4 Các phương pháp nghiên cứu - Sơn TSĐT sau đóng rắn xác định phổ hồng ngoại FT-IR - Cơ lý màng sơn kiểm tra tiêu chuẩn: TCVN 2098:2007, TCVN 2097:2015, TCVN 2099:2013, TCVN 2100-1:2013 - Độ bền mù muối đánh giá theo TCVN 8792:2011 - Độ suốt điện từ đánh giá theo TCQS 71:2016/VKHCNQS KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Lựa chọn tỉ lệ thành phần nhựa acrylcic polyol dùng làm sơn phủ Hai loại acrylic polyol E7331 A450 có tính chống chịu thời tiết hóa Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, - 2020 95 Hóa học Kỹ thuật môi trường chất tốt, nhiên, độ bền lý, thời gian khô thời gian sống loại khác A450 loại acrylic polyol khô nhanh, thời gian sống ngắn, E7331 loại khối lượng phân tử cao, có tính mềm dẻo, thời gian khơ thời gian sống kéo dài Vì vậy, để phù hợp với nhu cầu sử dụng sơn TSĐT có thời gian khô nhanh thời gian sống kéo dài đảm bảo cho q trình sơn, chúng tơi khảo sát tỉ lệ nhựa E7331 A450 với tỉ lệ đương lượng NCO/OH =1 để tìm tỷ lệ tối ưu (bảng 2) Bảng Tỉ lệ thành phần nhựa E7331 A450 Mẫu M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 Phép đo Va đập (kG.cm) 110 110 100 100 90 70 70 50 Độ cứng 0,52 0,53 0,54 0,54 0,55 0,56 0,56 0,57 Khô mức (h) 4 1 Thời gian sống (h) 30 20 17 12 Qua bảng kết cho thấy, tăng dần tỉ lệ A450 cho thấy độ cứng tăng độ bền va đập giảm, nguyên nhân E7331 có khối lượng phân tử lớn, số OH cao A450 Ngồi ra, thời gian khơ thời gian sống sơn tăng lên theo tỉ lệ thuận với hàm lượng E7331 Thời gian khô thời gian sống sơn cần phải hợp lý vừa phải đáp ứng khô nhanh vừa phải đảm bảo đủ thời gian sống để sơn khơng bị hóa rắn q trình sơn Thông thường loại sơn thành phần phải đảm bảo thời gian sống tối thiểu tiếng Như vậy, chọn tỉ lệ E7331 với A450 60:40 pkl (M5) 3.2 Ảnh hưởng chất hóa dẻo Sơn acrylic polyol có độ cứng cao, bền, đẹp, nhiên có nhược điểm giịn Vì vậy, để tiến, nâng cao tính lý màng sơn TSĐT, chúng tơi tiến hành bổ sung hóa dẻo nội phân tử polyete polyol FA-703 Trong phân tử FA-703 có cầu ete C-O-C mềm dẻo nhóm OH liên kết với nhóm NCO tạo hệ đan lưới với nhựa acrylic polyol làm mềm dẻo tăng độ bền va đập màng sơn FA-703 khảo sát với tỷ lệ 5%, 10%, 15%, 20% 30% khối lượng acrylic polyol Kết cho thấy, thêm hàm lượng hóa dẻo vào lý màng sơn cải thiện đáng kể lên đến 140 kG.cm thêm hàm lượng hóa dẻo 10%, cao làm mềm hóa màng sơn, độ bám dính giảm độ bền va đập bị giảm (bảng 3) Bảng Ảnh hưởng tỉ lệ chất hóa dẻo đến tính lý màng sơn FA703 5% 10% 15% 20% 30% Kết đo Độ bền va đập 120 140 140 120 110 Độ cứng 0,55 0,55 0,53 0,48 0,39 Bám dính 1 1 3.3 Ảnh hưởng tỷ lệ chất đóng rắn đến độ bền lý màng sơn phủ Theo lý thuyết tỉ lệ đóng rắn tối ưu isoxyanat polyol NCO/OH 1,0 Tuy nhiên, điều kiện thực tế tỉ lệ thường lớn Để tìm tỉ lệ đóng rắn tối ưu, chúng tơi tiến hành khảo sát tỉ lệ NCO/OH với tỉ lệ 1,3; 1,5; 1,7; 2; Kết cho thấy, với tỉ lệ đóng rắn 1,3 cho kết độ bền va đập tốt 170 kG.cm, độ cứng 0,56 Khi tăng thêm lượng NCO làm cho độ bền va đập giảm, nguyên nhân lượng NCO dư khiến q trình đan lưới khơng tối ưu Điều chứng minh qua phổ IR, mẫu sơn sau đóng rắn với tỉ lệ NCO/OH khác sau 72 đem đo phổ IR để xác định hàm lượng NCO dư Kết phổ chụp IR cho thấy, mẫu r=1,0 1,3 chưa thấy xuất pic NCO 2274 96 P X Thạo, …, P M Tuấn, “Nghiên cứu chế tạo sơn suốt … dùng để bảo vệ đa.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ cm-1, r=1,5 bắt đầu xuất rõ rệt tăng hàm lượng đóng rắn N3300 (hình 1) Bảng Kết khảo sát tỷ lệ đóng rắn NCO/OH 1,0 1,3 1,5 1,7 Kết đo Độ bền va đập 140 170 150 140 120 80 (kG.cm) Độ cứng 0,55 0,56 0,57 0,58 0,60 0,61 Hình Phổ IR mẫu sơn đóng rắn với tỉ lệ NCO/OH khác 3.4 Ảnh hưởng nanosilica biến tính đến tính chất màng sơn Có nhiều cơng bố ứng dụng nanosilica để thiện độ bền va đập, độ bền mài mòn, độ cứng, hấp thụ tia UV màng sơn tính chống sa lắng sơn Đồng thời, nanosilica biến tính PDMS trở thành chất siêu kỵ nước, cho vào thành phần sơn có tác dụng ngăn ngừa ẩm thấm qua màng sơn làm tăng độ bền sơn [8] Với ứng dụng to lớn màng sơn, đặc biệt sơn ngồi trời Chính vậy, chúng tơi tiến hành khảo sát bổ sung phụ gia nanosilica biến tính vào sơn acrylic polyol với tỉ lệ từ 1-5% Kết cho thấy, hàm lượng nanosilica biến tính PDMS 2,5% cho độ bền lý tốt Bảng Ảnh hưởng nanosilica đến màng sơn R-SiO2 1% 1,5% 2% 2,5% 3% 5% Kết đo Bền va đập (kG.cm) Độ cứng 170 180 190 200 180 170 0,58 0,59 0,59 0,60 0,60 0,59 Khi tăng thêm lại làm cho độ bền lý màng sơn giảm, giải thích mật độ nanosilica nhiều gây tượng co cụm vón cục, khơng tạo phân tán tối ưu hệ sơn khiến lý bị giảm Sơn TSĐT tạo màng dày 120 µm đo độ suốt điện từ dải tần 3,94,2 GHz, kết đo cho thấy, giá trị truyền qua cực tiểu đạt 98,5% cực đại truyền qua đạt 100% Trung bình dải tần 3,94,2 GHz thuộc băng tần S, độ suốt điện từ đạt 99,3% Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, - 2020 97 Hóa học Kỹ thuật mơi trường Hình Độ suốt điện từ màng sơn dải tần 3,94,2 GHz Tương tự, tiến hành phép đo độ suốt điện từ màng sơn băng tần X, kết cho thấy hiệu suất truyền qua trung bình dải tần đạt 99,7% Hình Kết đo độ suốt điện từ màng sơn dải tần 812 GHz Như vậy, sơn suốt điện từ cho sóng điện từ truyền qua gần hoàn toàn (đạt 99%) hai băng tần S X Một số tiêu kỹ thuật sơn TSĐT thống kê bảng sau: Bảng Các tiêu kỹ thuật sơn suốt điện từ TT Tên tiêu Phương pháp đo Kết Độ bền va đập, kG.cm TCVN 2100-1-2007 200 Độ bền uốn, mm TCVN 2099-2007 Độ bám dính, điểm TCVN 2097-2007 Độ cứng TCVN 2098-2007 0,6 Độ bền mù muối, chu kỳ TCVN 8792:2011 45 Độ chịu mặn Màng sơn không + Độ bền kiềm biến đổi + Độ bền axit JIS K5400: 1990 + Độ chịu dầu KẾT LUẬN Qua q trình khảo sát, chúng tơi tìm đơn thành phần tối ưu để chế tạo sơn suốt điện từ với nhựa acrylic polyol E7331 A450 theo tỉ lệ 6/4, 10% hóa dẻo FA703, tỉ lệ NCO/OH 1,3, 2,5% nanosilica biến tính polydimethylsiloxane Sơn suốt điện từ thu có độ bền lý đạt 200 kG.cm, độ cứng 0,6, độ bền mù muối 45 chu kỳ độ suốt điện từ đạt 99% 98 P X Thạo, …, P M Tuấn, “Nghiên cứu chế tạo sơn suốt … dùng để bảo vệ đa.” Nghiên cứu khoa học công nghệ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Шнейдерман Я.А “Новые материалы антенных обтекателей самолетов, ракет и космических летательных аппаратов” Зарубежная радиоэлектроника, Москва, (1971) [2] Каплун В.А “Обтекателли антенн” СВЧ, Москва, (1974) [3] Zhang Zan, Guo Ming, Kang Xin-zheng “Screen of paints for warship radar cover and research on their coating process”, Beijing, (2010) [4] Kotnarowska, D “Influence of ultraviolet radiation and aggressive media on epoxy coating degradation”, Progress in Organic Coatings, 37(3-4), (1999), pp.149–159 [5] Akindoyo, J O., Beg, M D H., Ghazali, S., Islam, M R., Jeyaratnam, N., & Yuvaraj, A R., “Polyurethane types, synthesis and applications – a review” RSC Advances, 6(115), (2016), pp.114453–114482 [6] Ismail Ab Rahman, Vejayakumaran Padavettan, “Synthesis of Silica Nanoparticles by Sol-Gel: Size-Dependent Properties, SurfaceModification, and Applications in SilicaPolymer Nanocomposites—A Review”, Journal of Nanomaterials, (2012), pp.1 -16 [7] Z Ranjbara, S Rastegar, “Nano mechanical properties of an automotive clear-coats containing nano silica particles with different surface chemistries”, Progress in Organic Coatings, (2011), 72(1 -2), pp.40–43 [8] Jian Li, Yushun Zhao, Jianlin Hu, Lichun Shu & Xianming Shi, “Anti-icing Performance of a Superhydrophobic PDMS/Modified Nano-silica Hybrid Coating for Insulators”, Journal of Adhesion Science and Technology, 2012, 26(4-5), pp 665–679 ABSTRACT STUDY ON PREPARATION OF TRANSPARENT ELECTROMAGNETIC COATING BASED ON ACRYLIC POLYOL RESIN TO PROTECT RADAR Radar is radio equipment used to detect and locate targets So, radar is widely used in both military and transportation Radar is often placed outdoors in severe weather with high corrosion, it is easy to peel off and rust Therefore, it is necessary to have a coating that can both protect against corrosion, decorate and allow electromagnetic waves to transmit almost completely In this paper, the results of research on preparing transparent electromagnetic coating based on acrylic polyol combined with 2.5% modified nanosilica, 1.5% Tinuvin UV 292 absorber and some pigments are presented The paint achieved good mechanical properties and environmental durability, the transmission of electromagnetic waves up to 99% Keywords: Transparent electromagnetic; Nanosilica; Anticorrosion; Polyurethane Nhận ngày 15 tháng năm 2020 Hoàn thiện ngày 11 tháng năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 24 tháng năm 2020 Địa chỉ:1Viện Hóa học – Vật Liệu, Viện Khoa học Cơng nghệ qn sự; Khoa Hóa-Lý kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật quân * Email: thaovn1987@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, - 2020 99 ... polydimethylsiloxane Sơn suốt điện từ thu có độ bền lý đạt 200 kG.cm, độ cứng 0,6, độ bền mù muối 45 chu kỳ độ suốt điện từ đạt 99% 98 P X Thạo, …, P M Tuấn, ? ?Nghiên cứu chế tạo sơn suốt … dùng để bảo vệ đa. ” Nghiên. .. khí; Súng phun sơn; Mẫu thép CT3 có kích thước 75 x 150 x 0,8 mm 2.3 Chế tạo sơn suốt điện từ sở nhựa acrylic polyol 2.3.1 Khảo sát tỷ lệ thành phần nhựa acrylic polyol Đầu tiên sơn TSĐT khảo... độ suốt điện từ màng sơn băng tần X, kết cho thấy hiệu suất truyền qua trung bình dải tần đạt 99,7% Hình Kết đo độ suốt điện từ màng sơn dải tần 812 GHz Như vậy, sơn suốt điện từ cho sóng điện