Nghiên cứu chế tạo sơn lót epoxy đóng rắn trong điều kiện ẩm có chứa phần tử nano

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN HỆ THỐNG DANH MỤC HÌNH VẼ HỆ THỐNG DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT MỞ ĐẦU 10 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 14 I Ăn mòn kim loại bảo vệ kim loại 14 I.1 Ăn mòn kim loại……………………………………………………………… 14 I.2 Phân loại ăn mòn……………………………………………………………… 15 I.3 Biện pháp bảo vệ chống ăn mòn……………………………………………… 16 II Sơn bảo vệ chống ăn mòn 20 II.1 Lịch sử phát triển sơn bảo vệ chống ăn mòn………………………………… 20 II.2 Sơn epoxy………………………………………………………………………21 Nhựa epoxy 23 Chất đóng rắn cho nhựa epoxy 26 II.3 Bột màu……………………………………………………………………… 32 II.4 Bột độn…………………………………………………………………………39 II.5 Phụ gia………………………………………………………………………….39 Phụ gia phân tán 39 Chất chống sa lắng 42 II.6 Biến tính màng sơn epoxy nanoclay…………………………………… 43 Giới thiệu chung nanoclay 44 Các phƣơng pháp phân tán nanoclay vào nhựa epoxy 46 Ảnh hƣởng nanoclay vào nhựa epoxy 48 II.7 Phƣơng pháp đo mạch hở đánh giá ăn mòn lớp phủ hữu điện kim loại 53 CHƢƠNG II: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 55 II.1 Hóa chất 55 II.2 Các phƣơng pháp nghiên cứu 56 II.2.1 Khảo sát q trình đóng rắn nhựa epoxy 56 II.2.2 Phƣơng pháp xác định độ nhớt hệ sơn 57 II.2.3 Quá trình chế tạo mẫu sơn 57 II.3 Các phƣơng pháp xác định tính chất lý màng sơn 57 II.3.1 Phƣơng pháp xác định độ bền va đập màng sơn 57 II.3.2 Phƣơng pháp xác định độ bền uốn màng sơn 58 II.3.3 Phƣơng pháp xác định độ cứng tƣơng đối màng sơn 59 II.3.4 Phƣơng pháp xác định độ bám dính màng sơn 59 II.3.5 Phƣơng pháp xác định độ bền cào xƣớc màng sơn 60 II.3.6 Phƣơng pháp xác định độ bền ép dãn màng sơn 60 II.3.7 Độ thẩm thấu nƣớc 61 II.3.8 Phƣơng pháp phổ nhiễu xạ tia X ( XRD) 62 II.3.9 Phƣơng pháp đo điện cực theo thời gian 62 II.3.10 Phƣơng pháp thử nghiệm mù muối 63 CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 65 III.1 Khảo sát trình đóng rắn nhựa epoxy Kingdom 1001 x 75 chất đóng rắn TN13 điều kiện độ ẩm cao………………………………………………65 III.2 Khảo sát ảnh hƣởng phụ gia tới tính chất màng sơn……………… 67 III.2.1 Khảo sát ảnh hƣởng phụ gia phân tán đến tính chất lý màng sơn 67 III.2.2 Khảo sát ảnh hƣởng phụ gia chống chảy đến tính chất lý màng sơn 68 III.2.3 Khảo sát ảnh hƣởng phụ gia hóa dẻo đến tính chất lý màng sơn 70 III.3 Khảo sát ảnh hƣởng bột độn đến tính chất lý màng sơn epoxy… 71 III.4 Khảo sát ảnh hƣởng bột màu đến tính chất lý màng sơn với hệ bột màu cromat kẽm – oxit sắt………………………………………………………… 72 III.5 Nghiên cứu ảnh hƣởng phụ gia nano đến tính chất lý màng sơn….74 III.5.1 Khảo sát ảnh hƣởng hàm lƣợng nanoclay I30E đến tính chất lý màng sơn 75 III.5.2 Khảo sát ảnh hƣởng kỹ thuật phân tán đến tính chất lý màng sơn 77 III.5.3 Khảo sát cấu trúc hình thái cấu trúc vật liệu epoxy nanocompozit 78 III.7 Ảnh hƣởng độ ẩm môi trƣờng đến tính chất lý màng sơn 82 III.8 Đánh giá khả chống ăn mòn màng sơn phƣơng pháp điện cựu theo thời gian 85 III.9 Đánh giá khả chống ăn mòn màng sơn phƣơng pháp mù muối 87 KẾT LUẬN 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan nội dung mà tác giả viết Luận văn tìm hiểu, nghiên cứu thân, với hƣớng dẫn tận tình TS Nguyễn Phạm Duy Linh Mọi số liệu kết nêu Luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác.Trừ phần tham khảo đƣợc trích dẫn nguồn gốc cụ thể Luận văn Hà Nội, tháng năm 2015 Tác giả Hà Thị Hà HỆ THỐNG DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ q trình ăn mịn thép Hình 1.2: Bịt kín bề mặt kim loại khơng cho tiếp xúc với mơi trƣờng ăn mịn Hình 1.3: Cung cấp điện cực bảo vệ Hình 1.3: Cung cấp điện cực bảo vệ Hình 1.4: Phản ứng đóng rắn amin Hình 1.5: Cơ chế đóng rắn nhựa epoxy anhydryt axit Hình 1.6: Phản ứng khâu mạch epoxy Hình 1.7: Tổng trở điện cực thép phủ màng epoxy với bột màu ZnO Hình 1.8: Phổ tổng trở lớp sơn phosphat kẽm Hnh 1.9: Ảnh SEM mẫu ngâm mơi trƣờng NaCl 3% Hình 1.10: Cơ chế chống ăn mịn bột màu phosphat kẽm biến tính canxi Hình 1.11 Cấu trúc lý tƣởng khống sét MMT Hình 1.12 Cấu trúc kết tụ khống sét nanoclay Hình 1.13 Các dạng phân tán nanoclay nhựa Hình 1.14 Các cấu trúc khống sét trao đổi ion Hình 1.15: Khả chống ăn mịn màng sơn phƣơng pháp đo điện trở Hình 1.16: Thử nghiệm phun mù muối Hình 1.17: Phân tán nano vào nhựa Hình 1.18 Sơ đồ phép đo mạch hở Hình 2.1 Dụng cụ xác định độ bền va đập tải trọng rơi điều chỉnh độ cao ERICHSEN Model 304 ASTM phiên tiêu chuẩn Hình 2.2 Dụng cụ xác định độ bền uốn dạng gập với trục hình trụ ERICHSEN Model 266 Hình 2.3 Dụng cụ xác định độ cứng tƣơng đối dựa theo dao động tắt dần lắc ERICHSEN Model 299/300 Hình 2.4 Dụng cụ xác định độ bền cào xƣớc ERICHSEN Model 239/I Hình 2.5 Dụng cụ xác định độ bền ép dãn ERICHSEN Model 200 Hình 2.6 Sự phụ thuộc khối lƣợng nƣớc thẩm thấu qua màng sơn theo thời gian Hình 2.7 Sơ đồ thiết bị đo điện cực theo thời gian Hình 3.1: Q trình đóng rắn nhựa epoxy 1001 x 75 hàm lƣợng chất đóng rắn TN – 13 khác Hình 3.2: Phổ XRD nhựa epoxy 1001 x 75 Hình 3.3: Phổ XRD nanoclay I30E Hình 3.4: Phổ nhiễu xạ tia X vật liệu compozit từ nhựa epoxy /3% nanoclay khơng có hỗ trợ khuấy siêu âm Hình 3.5: Phổ nhiễu xạ tia X vật liệu compozit từ nhựa epoxy /3% nanoclay I30 E có hỗ trợ siêu âm Hình 3.6: Thế điện cực theo thời gian mẫu thép với màng phủ khác Hình 3.7 : Ảnh mẫu sơn chứa 3% nanoclay: (a) trƣớc thử nghiệm; (b) sau thử nghiệm 24 giờ, (c) sau thử nghiệm 96 giờ, (d) sau thử nghiệm 360 giờ, ( e) sau thử nghiệm 480 HỆ THỐNG DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Ảnh hƣởng hàm lƣợng chất đóng rắn TN13 tính chất màng Bảng 3.2: Ảnh hƣởng phụ gia phân tán texaphor đến tính chất lý màng sơn Bảng 3.3: Ảnh hƣởng phụ gia chống chảy đến tính chất lý màng sơn Bảng 3.4: Ảnh hƣởng phụ gia hóa dẻo DOP đến tính chất lý màng sơn Bảng 3.5: Ảnh hƣởng hàm lƣợng bột talc đến tính chất lý màng sơn Bảng 3.6: Ảnh hƣởng tỷ lệ bột màu cromat kẽm – oxit sắt đến tính chất lý màng sơn Bảng 3.7: Ảnh hƣởng nồng độ thể tích bột màu đến tính chất lý màng sơn Bảng 3.8: Ảnh hƣởng hàm lƣợng nanoclay I30E đến tính chất lý màng sơn Bảng 3.9: Ảnh hƣởng kỹ thuật phân tán đến tính chất lý màng sơn Bảng 3.10: Tính chất lý màng sơn epoxy nanoclay I30E với hệ bột màu cromat kẽm – oxit sắt Bảng 3.12: Tính chất lý sơn lót epoxy điều kiện độ ẩm tƣơng đôi khác Bảng 3.13: Kết đánh giá độ gỉ mẫu sơn chứa 3% nanoclay theo tiêu chuẩn ASTM D714 – 02 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT Giao thông vận tải GTVT Nồng độ thể tích NĐTT Hàm lƣợng nhóm epoxy HLE Đƣơng lƣợng nhóm epoxy DLE Giá trị epoxy GTE Phần khối lƣợng PKL Dioctyl phthalate DOP Scanning electron microscope SEM E EIS 10 Pigment volume concentration PVC 11 Dietylen triamin DETA 12 montmorillonit khoáng sét MMT 13 Cation-exchange capacity CEC 14 Phổ nhiễm xạ tia X XRD MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Ngành công nghệ vật liệu Polyme ngày đƣợc phát triển rộng rãi với nhiều ứng dụng tất ngành công nghiệp nhƣ đời sống xã hội Một ứng dụng quan trọng vật liệu polyme ứng dụng ngành công nghiệp sơn Với phát triển bùng nổ xây dựng công nghiệp, nhu cầu sơn dân dụng lẫn sơn cơng trình gia tăng năm Việt Nam nƣớc có khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa, mà nhu cầu sơn bảo vệ cần thiết Do điều kiện độ ẩm khơng khí cao, nên việc nghiên cứu vật liệu sơn điều kiện ẩm ƣớt quan trọng Cùng với đó, loại sơn cịn sơn phủ bảo vệ cơng trình ngầm dƣới nƣớc, đƣờng ống, sơn bảo vệ kim loại Chất tạo màng sơn phổ biến quan trọng bậc nhựa epoxy, loại nhựa đƣợc nghiên cứu từ lâu, có ứng dụng rộng khắp ngành cơng nghiệp Việc đóng rắn epoxy để tạo màng sơn nhiệt độ thƣờng đóng vai trò định cho việc lựa chọn loại nhựa làm chất tạo màng Epoxy đóng rắn nhiệt độ thƣờng, thƣờng sử dụng chất đóng rắn polyamin mạch thẳng polyamit Tuy nhiên đóng rắn điều kiện độ ẩm cao phƣơng pháp lại khơng hiệu polyamin nhạy cảm với độ ẩm, đặc biệt khí CO2, amin chuyển hóa thành muối cacbamat, làm sơn bị mờ đục có độ bám dính bề mặt ẩm ƣớt Một phƣơng pháp tăng tính chất lý tính bảo vệ chống ăn mịn bổ xung phần tử nano vào màng sơn Cùng với xu hƣớng trên, cơng trình “nghiên cứu chế tạo sơn lót epoxy đóng rắn điều kiện ẩm có chứa phần tử nano” cần thiết 10 Quan sát phổ XRD vật liệu compozit từ nhựa epoxy Kingdom 1001 x 75/3% nanoclay I30 E khơng có hỗ trợ siêu âm (hình 3.4 hình 3.5) thấy rõ khác biệt vùng góc 2Θ từ 20 đến 50: Khi khơng có hỗ trợ khuấy siêu âm cịn tồn pic rộng có cƣờng độ thấp góc 2Θ từ 2.50 đến 40, có hỗ trợ khuấy siêu âm pic hồn tồn biến Điều chứng tỏ nanoclay vật liệu compozit có hỗ trợ khuấy siêu âm đạt đƣợc tới mức độ “tróc lớp” pic đặc trƣng nanoclay (hình 3.5) góc 2Θ 2.50 hồn tồn biến Cịn với vật liệu compozit từ nhựa epoxy/3% nanoclay khơng có hỗ trợ khuấy siêu âm pic góc 2Θ 2.50 nanoclay quan sát đƣợc (hình 3.4) Nhƣ vậy, nanoclay phân tán vật liệu chƣa đạt tới mức độ “tróc lớp” hồn tồn II.6 Khảo sát ảnh hƣởng nanoclay I30E đến tính chất lý màng sơn từ nhựa epoxy 1001 x 75 với hệ bột màu oxit sắt - cromat kẽm Để khảo sát ảnh hƣởng nanoclay I30E đến tính chất lý màng sơn từ nhựa epoxy 1001 x 75 với hệ bột màu cromat kẽm – oxit sắt tiến hành chế tạo hệ sơn từ nhựa epoxy 1001 x 75 với chất đóng rắn TN13 độ ẩm tƣơng đối 86%, hàm lƣợng nanoclay thay đổi từ ÷ 3% so với khối lƣợng nhựa epoxy 1001 x 75, hệ bột màu oxit sắt – cromat kẽm với tỷ lệ 60 : 40 nồng độ thể tích bột màu 28% Tính chất hệ sơn nêu đƣợc trình bày bảng 3.10: 81 Bảng 3.10: tính chất lý màng sơn epoxy nanoclay I30E với hệ bột màu cromat kẽm – oxit sắt‫٭‬ STT Hàm lƣợng nanoclay Độ bền va đập, (%) inch.pound Độ Độ Độ Độ Độ Độ thẩm Hàm bền bền bám bền cứng thấu lƣợng ép uốn, dính cào tƣơng nƣớc, phần ,điểm xƣớc, đối g.cm2.h gel (x103) (%) dãn, mm N mm >80 8.7 12 0.535 0.5000 99.0 >80 9.0 12 0.54 0.4936 99.7 >80 9.5 13 0.554 0.4732 99.0 >80 10.5 15 0.587 0.3856 99.8 ‫٭‬Chiều dày màng sơn 55 ± 5µm Qua bảng 3.10 nhận thấy, độ bền va đập, độ bền uốn, độ bám dính điểm gần nhƣ không thay đổi hàm lƣợng nanoclay tăng tƣ ÷3% Trong độ bền ép dãn, độ cứng tƣơng đối, độ bền cào xƣớc tăng Khi hàm lƣợng nanoclay tăng độ thẩm thấu nƣớc giảm đáng kể Khi tăng hàm lƣợng nanoclay lên 3% độ thẩm thấu nƣớc giảm 27%, độ bền cào xƣớc tăng 20% so với mẫu khơng có nanoclay III.7 Ảnh hƣởng độ ẩm môi trƣờng đến tính chất lý màng sơn Ở điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa nhƣ nƣớc ta, có thời điểm độ ẩm tƣơng đối khơng khí cao, cho dù bề mặt kim loại đƣợc làm đến đâu tồn lớp ẩm cản trở bám dính màng sơn lên bề mặt kim loại dẫn tới tính chất lý màng sơn không cao 82 Do vậy,đã tiến hành khảo sát tính chất lý màng sơn epoxy sở nhựa epoxy 1001 x 75 đóng rắn chất đóng rắn thơng thƣờng dietylen triamin (DETA) chất đóng rắn điều kiện ẩm TN13 có khơng có nanoclay điều kiện độ ẩm khác nhau: - Độ ẩm tƣơng đối 95% đƣợc tạo buồng kín mini có chứa dung dịch KNO3 bão hòa - Độ ẩm tƣơng đối 75% đƣợc tạo buồng kín mini có chứa dung dịch NaCl bão hòa - Độ ẩm tƣơng đối 63% đƣợc tạo buồng kín mini có chứa dung dịch NH4NO3 bão hòa - Độ ẩm tƣơng đối 55% đƣợc tạo buồng kín mini có chứa dung dịch Ca(NO3)2.4H2O Các mẫu sơn đƣợc xác định tính chất lý sau để ổn định nhiệt độ phịng buồng kín khoảng 15 ngày đêm Kết đƣợc thể qua bảng 3.12 83 Bảng 3.12: Tính chất lý sơn lót epoxy điều kiện độ ẩm tương đôi khác N= Tính chất lý Độ ẩm Chất đóng rắn Độ bền va đập,inch Pound Độ bền ép dãn, >80 8.5 mm Độ bền Độ uốn, bám dính mm ,điểm Độ bền cào xƣớc, N Độ cứng tƣơng đối Tƣơng đối (%) 95% TN13 DETA 75% TN13 DETA 63% TN13 DETA 55% TN13 DETA 12 0.354 >80 9.7 15 0.36 64 5.7 4 0.43 68 6.8 0.54 >80 8.1 11 0.35 >80 9.5 14 0.39 70 6.7 3 0.48 76 7.8 2 0.55 80 7.6 10 0.36 >80 8.9 13 0.44 74 7.6 0.52 80 8.2 2 11 0.56 74 7.0 0.37 80 8.3 11 0.57 78 8.0 0.54 80 9.0 13 0.58 84 Các số liệu bảng 3.12 cho thấy, điều kiện độ ẩm tƣơng đối 95% tính chất lý màng sơn lót epoxy đóng rắn TN13 cao màng sơn lót đóng rắn chất đóng rắn polyamin thơng thƣờng - DETA Đặc biệt bổ sung 3% nanoclay I30E (tính theo khối lƣợng nhựa epoxy) độ ẩm tƣơng đối 95% tính chất lý tốt nhiều so với màng sơn khơng có nanoclay Khi độ ẩm mơi trƣờng gia cơng giảm từ 95% xuống 75% tính chất lý màng sơn đóng rắn TN13 giảm đáng kể, cịn tính chất lý màng sơn đóng rắn DETA đƣợc cải thiện đƣợc thể rõ qua độ bền ép dãn độ bền cào xƣớc Nhƣng độ ẩm tƣơng đối 75%, tính chất lý màng sơn đóng rắn TN13 cao đáng kể so với màng sơn đóng rắn DETA, đƣợc thể rõ qua độ bền ép dãn độ bền cào xƣớc Khi độ ẩm tƣơng đối thấp 63, 55% tính chất lý màng sơn đóng rắn chất đóng rắn ẩm TN13 giảm đáng kể so với màng sơn đóng rắn độ ẩm tƣơng đối cao (N=03, so với N=0 1, 2) Ngƣợc lại, màng sơn đóng rắn DETA tính chất lý chúng cao hẳn so với tính chất lý màng sơn môi trƣờng độ ẩm cao 75 95% Nhƣ vậy, gia công màng sơn độ ẩm cao >75% nên sử dụng chất đóng rắn ẩm TN13 ẩm bề mặt kim loại cần sơn tƣơng tác với chất đóng rắn màng ẩm khơng cịn ảnh hƣởng đến tính chất lý màng sơn nên tạo đƣợc màng sơn có tính chất lý cao Khi độ ẩm