Nghiên cứu và chế tạo sơn silicat chịu nhiệt cao trên nền chất tạo màng polymer vô cơ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - BÙI XUÂN KHÁNH NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO SƠN SILICAT CHỊU NHIỆT CAO TRÊN NỀN CHẤT TẠO MÀNG POLYMER VÔ CƠ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2020 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - BÙI XUÂN KHÁNH NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO SƠN SILICAT CHỊU NHIỆT CAO TRÊN NỀN CHẤT TẠO MÀNG POLYMER VƠ CƠ Chun ngành: Hóa Vơ Cơ Mã số: 8440112.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÊ MẠNH CƢỜNG PGS PHẠM ANH SƠN Hà Nội – Năm 2020 LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn TS Lê Mạnh Cường giao đề tài nghiên cứu tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em suốt trình làm luận văn này, PGS Phạm Anh Sơn nhiệt tình hỗ trợ kỹ thuật thực nghiệm Em xin chân thành cảm ơn tập thể thầy giáo mơn Hóa Vơ Cơ – Khoa Hóa Học – ĐH Khoa Học Tự Nhiên, tập thể bạn phòng Vật liệu vô tạo điều kiện tốt cho em thời gian học tập, nghiên cứu hoàn thiện luận văn tốt nghiệp Hà Nội, tháng 12 năm 2020 Học viên Bùi Xuân Khánh Mục Lục CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Lịch sử phát triển ngành sơn 1.1.1 Lịch sử phát triển ngành sơn giới 1.1.2 Lịch sử phát triển ngành sơn Việt Nam 1.2 Vai trò thành phần sơn 1.3 Tổng quan sơn silicat 1.3.1 Thủy tinh lỏng 1.3.2 Hợp phần khô 10 1.3.2.1 Các chất độn tính chất chúng 10 1.3.2.2 Các chất màu tính chất chúng 12 1.4 Phƣơng pháp tổng trở điện hóa (EIS) 13 CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 15 2.1 Dụng cụ, thiết bị 15 2.2 Hóa chất 15 2.3 Các phƣơng pháp nghiên cứu 16 2.3.1 Phƣơng pháp phân tích phổ nhiễu xạ tia X 16 2.3.2 Phƣơng pháp phân tích phổ hồng ngoại 16 2.3.3 Phƣơng pháp EDX, SEM 16 2.3.4 Phƣơng pháp EIS 16 2.4 Một số phƣơng pháp xác định modun thủy tinh lỏng [8,15] 16 2.4.1 Xác định modun thủy tinh lỏng dựa vào hàm lƣợng % SiO2 H2O 16 2.4.2-Phân tích nhanh thủy tinh lỏng 17 2.4.3-Xác định mô đun thủy tinh lỏng theo phƣơng pháp tính gần 18 2.4.4-Xác định mơ đun thủy tinh lỏng dựa vào đƣờng cong hiệu chuẩn pHmodun 19 2.4.5-Xác định mô đun thủy tinh lỏng điều kiện thực tế 19 2.5 Tiến hành thí nghiệm 19 2.5.1 Tiến hành chế tạo sơn vô chịu nhiệt 19 2.5.2 Đo tổng trở điện hóa 19 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 21 3.1 Nghiên cứu xây dựng phƣơng pháp xác định modun thủy tinh lỏng 21 3.1.1 Nghiên cứu xây dựng cơng thứ tính mơ đun thủy tinh lỏng với khối lƣợng riêng 21 3.1.2 Kết thực nghiệm tính mơ đun thủy tinh lỏng với d=1,38 theo công thức (9) 23 3.2 Nghiên cứu q trình đóng rắn sơn silicat 24 3.2.1 Nghiên cứu trình đóng rắn thủy tinh lỏng với ZnO 24 3.2.2 Nghiên cứu q trình đóng rắn thủy tinh lỏng với TiO2 28 Tính chất lý lớp màng 28 3.2.3 Nghiên cứu q trình đóng rắn thủy tinh lỏng với CaCO3 33 Tính chất lý lớp màng 33 3.2.4 Nghiên cứu q trình đóng rắn thủy tinh lỏng với Fe2O3 37 Tính chất lý lớp màng 37 3.2.5 Nghiên cứu q trình đóng rắn thủy tinh lỏng với Na2SiF6 42 Tính chất lý lớp màng 42 3.3 Chế tạo sơn silicat nghiên cứu, đánh giá tính chất chịu nhiệt cao, chịu mặn, chịu ăn mòn axit sản phẩm 51 3.3.1 Nghiên cứu yếu tố ảnh hƣởng đến trình chế tạo sơn silicat 51 3.3.1.1 Khảo sát độ bền nƣớc màng sơn silicat ứng với đơn, polietilen 53 3.3.1.2 Giải thích độ bền nƣớc sơn 53 3.3.2 Đánh giá tính chất chịu nhiệt độ cao sản phẩm 54 3.3.3 Đánh giá khả chịu mặn, chịu ăn mòn axit sản phẩm 56 3.4 So sánh, đánh giá hiệu kinh tế tác động môi trƣờng việc sử dụng sơn silicat so với loại sơn khác thị trƣờng 60 3.4.1 Đánh giá tác động môi trƣờng việc sử dụng sơn silicat so với loại sơn khác thị trƣờng 60 3.4.1.1 Sơn ảnh hƣởng đến môi trƣờng 60 3.4.1.2 Ảnh hƣởng VOC đến sức khỏe ngƣời 61 3.4.1.3 Xu phát triển công nghệ sản xuất sơn giới 62 3.4.2 Đánh giá so sánh hiệu kinh tế việc sử dụng sơn silicat so với loại sơn khác thị trƣờng 63 CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TTL : Thủy Tinh Lỏng HPK : Hợp Phần Khô EIS ((Electrochemical Impedance Spectroscopy) : Phổ tổng trở điện hóa SEM (Scanning Electron Microscopy) : Hiển vi điện tử quét EDX (Energy-dispersive X-ray spectroscopy) : Phổ tán xạ lượng tia X FT-IR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) : Phương pháp phổ hồng ngoại XRD (X-Ray Diffraction) : Nhiễu xạ tia X DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1 Dự báo nhu cầu sản phẩm Sơn………………………………………………5 Bảng Phân tích TTL……………………………………………… 17 Bảng 2 Sự phụ thuộc TTL…… …………………………… 18 hệ nhanh số K kết vào mô đun Bảng Kết thực nghiệm tính mơ đun TTL có khối lƣợng riêng với d=1,38 theo cơng thức (9)………………………………………………………23 Bảng Tính chất ZnO…………………………………………… 24 Bảng 3 Kết phổ ZnO………………………………………….24 lý DTA Bảng 4Tính chất TiO2…………………………………………… 28 Bảng Kết phổ TiO2………………………………………….29 Bảng Tính chất Fe2O3………………………………………….37 Bảng Kết phổ Fe2O3……………………………………… 38 Bảng 10 Tính chất Na2SiF6…………………………………… …42 Bảng 11 Kết phổ Na2SiF6…………………………………… 42 DTA Bảng 13 Kết phổ HH………………………………………….46 học sơn Bảng 3.15 Một số loại trƣờng………………………………….64 - mẫu - mẫu - mẫu - lý Bảng 12 Tính chất HH…………………………………………… 46 hóa DTA mẫu – 1- mẫu lý mẫu DTA 1- mẫu DTA Bảng Kết phổ CaCO3……………………………………….33 mẫu lý Bảng 6Tính chất lý CaCO3………………………………………… 33 Bảng 14 Thành phần 3………………………….51 của mẫu mẫu 11 - lý mẫu 2- DTA mẫu 2- TTL Natri mô đun chịu nhiệt có thị DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 3.1 Phổ DTA mẫu ngày……………………………………………….25 – ZnO Hình 3.2 Phổ DTA mẫu ngày……………………………………………….25 1- ZnO 20 Hình 3.3 Phổ IR mẫu ngày………………………………………………… 26 1- ZnO ZnO 20 Hình 3.4 Phổ IR mẫu ngày……………………………………………… 26 Hình 3.5 Phổ XRD mẫu ngày………………………………………………27 1 – – ZnO Hình 3.6 Phổ XRD mẫu ngày……………………………………………….28 Hình 3.7 Phổ DTA mẫu ngày……………………………………………… 29 1- Hình 3.8 Phổ DTA mẫu ngày………………………………………………30 Hình 3.9 Phổ IR mẫu ngày…………………………………………….…… 31 Hình 3.10 Phổ IR mẫu ngày……………………………… ……………… 31 Hình 3.11 Phổ XRD ngày……………………………………………….32 mẫu -ZnO TiO2 -TiO2 1-TiO2 1-TiO2 1-TiO2 20 20 20 Hình 3.12 Phổ XRD ngày…………………………………………… 32 mẫu 1-TiO2 20 Hình 3.13 Phổ DTA ngày…………………………………………… 34 mẫu 1-CaCO3 10 10000 -lmZ(Ohm) 8000 6000 4000 2000 0 500 1000 1500 2000 Z(Ohm) 2500 3000 3500 Hình 3.44 Phổ Nyquist hai mẫu môi trƣờng KOH 0,1M ;-●-:mẫu đối chứng, -■-:mẫu phủ lớp sơn 3.5 LogZ 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 logf Hình 3.45 Phổ Bode hai mẫu môi trƣờng KOH 0,1M -●-:mẫu đối chứng,-■-:mẫu phủ lớp sơn 59 1.4 1.2 logZ 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 logf Hình 3.46 Phổ Bode hai mẫu mơi trƣờng HCl 0,1M -●-:mẫu đối chứng,-■-:mẫu phủ lớp sơn Chúng nhận thấy điểm tần số đạt giá trị thấp ba môi trường HCl, KOH, KCl mẫu sơn phủ có điện trở vượt trội so với mẫu không sơn phủ Điều chứng tỏ lớp sơn phủ ngăn cản khả dẫn điện vật liệu mà tăng khả chống ăn mòn vật liệu 3.4 So sánh, đánh giá hiệu kinh tế tác động môi trƣờng việc sử dụng sơn silicat so với loại sơn khác thị trƣờng 3.4.1 Đánh giá tác động môi trƣờng việc sử dụng sơn silicat so với loại sơn khác thị trƣờng 3.4.1.1 Sơn ảnh hƣởng đến môi trƣờng Các loại sơn dung môi hữu thường sử dụng chất tạo màng sở polyme hữu tự nhiên tổng hợp như: sơn dầu, sơn alkyd, sơn acrylic, sơn latex, sơn epoxy, sơn acrylic/epoxy hybrid, sơn polyurethane, sơn polyester… Các polyme hữu hồ tan số loại dung môi hữu như: aceton, benzen, xylen, toluen, methanol, butanol, butyl axetat, ethyl axetat… Thông thường lượng dung môi sử dụng sơn chiếm từ 40 – 50% khối lượng sản phẩm Tùy theo chủng loại sơn 60 mà sử dụng dung mơi khác Các nhóm dung mơi thường dùng bao gồm: – Dung mơi có chứa nhân thơm (toluene, xylen ) 30% – Dung môi dạng mạch thẳng 27% – Dung môi gốc xeton (methyl ethyl xeton-MEK, MIBK) 17% – Dung môi gốc alcohol (butyl alcohol, ethyl alcohol ) 17% – Dung môi khác 14% Dung môi hữu dùng cho sơn loại dễ cháy, chúng bốc lên kết hợp với khơng khí tạo thành hỗn hợp khí dễ bắt cháy có nguồn nhiệt tác nhân kích thích khác tia lửa điện, hồ quang điện… Các dung môi hữu độc người, chúng có tác hại cho đường hô hấp, đường máu tác dụng vào da gây bệnh ngồi da Trong q trình khơ lớp màng sơn, dung mơi từ từ khỏi bề mặt khuếch tán vào khơng khí Lượng dung mơi dùng lớn, diện tích sơn phủ nhiều nồng độ dung mơi khơng khí cao, thời gian tiếp xúc lâu dài tác dụng đến sức khoẻ người nhiều Sự ảnh hưởng sơn hữu đến thể người môi trường thể qua số VOC VOC lượng dung môi hữu phát thải môi trường đặc trưng số VOC (Volatile organic compounds) VOC hóa chất bay nhanh, lẫn vào khơng khí, nhiều loại VOC có khả liên kết lại với liên kết với phần tử khác khơng khí tạo hợp chất Cụm từ VOC thường dùng để nói đến hỗn hợp chất hữu độc hại bay khơng khí xuất phát từ sản phẩm người chế tạo, chẳng hạn dung môi toluen, xylene dung mơi thơm VOC có hầu hết loại sơn sơn dầu, sơn nội thất, ngoại thất, keo hồ, sản phẩm chùi dọn, dung môi làm loãng sơn, xăng dầu VOC thải từ sơn tổng hợp chất hữu bay thoát từ trình sơn, chúng bị cháy bay có khả kết hợp với chất hữu vô hại khác thành phần phân tử khác khơng khí tạo hợp chất gây ô nhiễm môi trường, gây hiệu ứng nhà kính gây ảnh hưởng cho sức khỏe người 3.4.1.2 Ảnh hƣởng VOC đến sức khỏe ngƣời Theo Cơ quan Bảo vệ Mơi sinh Mỹ 9% hợp chất gây ô nhiễm môi trường hàm lượng VOC từ sơn thải Nhiều kết nghiên cứu giới chứng minh số hóa chất tìm thấy dịng sơn không tốt gây tác hại xấu đến thai nhi Con người dễ bị dị ứng, đau đầu, chóng mặt, nhức mắt, khó thở, dị ứng da (khơ nứt da) vừa tiếp xúc với loại sơn sử dụng dung môi hữu Theo báo cáo của Hiệp hội bệnh phổi Mỹ (American Lung Association), 61 VOC gây khó chịu mắt da, vấn đề liên quan đến phổi đường hơ hấp, gây nhức đầu, chóng mặt, bị yếu gan thận bị hư tổn Nhiễm độc Toluen: Toluen chất dễ bay hơi, cháy nổ Chỉ cần nồng độ nhỏ (1/1000) Toluen gây cảm giác thăng bằng, đau đầu, nồng độ cao gây ảo giác, chống ngất Toluen có sơn, nhựa, keo dán cơng nghiệp chất xúc tác công nghệ in ảnh Khi sử dụng sơn, nhựa, keo dán cần tạo không gian thơng thống Tại Việt Nam nhiều loại sơn có tác hại xấu đến sức khỏe người môi trường sống sử dụng để sơn nhà ở, nơi làm việc, máy móc thiết bị, tịa cao ốc, hộ cao cấp… Đó loại sơn có hàm lượng VOC cao sơn dầu, sơn Polyurethane (PU), sơn Nitro Cellulose (NC)… chí, nhiều thương hiệu sơn có tên tuổi sản xuất dịng sơn dầu sơn dung mơi hữu độc hại, gây ô nhiễm môi trường Nhiều nghiên cứu cho thấy lượng VOC bên nhà cao 10 lần so với bên ngoài, có tăng cao đến 1.000 lần sau lớp sơn sơn lên bề mặt kim loại 3.4.1.3 Xu phát triển công nghệ sản xuất sơn giới Từ trước đến nay, hệ sơn dung môi hữu chiếm chủ yếu hầu hết loại sơn giới Do tác động không tốt môi trường, gây ảnh hưởng đến sức khỏe người, dễ cháy nổ mà loại sơn dung mơi hữu gây ra, nhà khoa học giới kêu hãng sản xuất sơn phải trọng ưu tiên vào sản xuất hệ sơn không chứa dung môi hữu nhằm hạ thấp hàm lượng chất bay (VOC) Qua nhiều thập niên, từ năm 1975-2009, lượng VOC sơn giảm dần từ 750 xuống 560 – 450 – 300 – 100 – 50 g/l gần đây, vào năm 2008-2009 nhiều hãng sơn thành công việc sản xuất dòng sơn Zero VOC Theo tiêu chuẩn xanh Mỹ (GREEN SEAL STANDARD FOR PAINTS AND COATINGS) quy định hàm lượng chất VOC cho phép sơn