2.2.3. Biến đổi bề mặt sericit
Quá trình biến đổi bề mặt sericit được tiến hành trong dung dịch ethanol 99,7%. Các phản ứng tiến hành trong điều kiện sau:
Thời gian phản ứng lần lượt là 1h, 4h và 24h. Nhiệt độ: phản ứng tiến hành ở nhiệt độ phòng.
Sericit được tiền xử lý bề mặt (hoạt hóa) trong dung dịch HCl loãng.
Dung dịch được khuấy trộn đều và không đổi trong suốt quá trình tiến hành các phản ứng.
Hỗn hợp sau phản ứng: Lọc, rửa và làm khô trong 24 h ở nhiệt độ 40-500
C trong lò sấy với áp suất khí quyển.
Quá trình silan hóa được khảo sát ở các điều kiện phản ứng khác nhau để xác định cơ chế và tối ưu hóa sản phẩm:
Nồng độ silan trong dung dịch: 0,5%, 1%. 4% Thời gian phản ứng: 1h, 4h, 24h
Môi trường phản ứng: trung tính, axit Quá trình polyme hóa: trước và sau khi sấy
2.2.4. Thiết bị khảo sát.
Sản phẩm của quá trình silan hóa sericit được khảo sát bằng phổ hồng ngoại biến đổi fourier FT-IR và phân tích nhiệt trọng lượng TGA.
Khóa luận tốt nghiệp Hoàng Thị Thúy Nga Phổ hồng ngoại FT-IR có độ phân giải 4cm-1 của Trường
đại học Bách khoa và Viện Hóa học.
Phân tích nhiệt TGA được thực hiện trên máy Shimadzu TGA-50H của Viện Hóa học, sử dụng chén nung bằng platin. Tốc độ gia nhiệt là 100C/phút, khoảng nhiệt độ nghiên cứu từ 25-9000C, trong môi trường không khí.
2.2.3. Chế tạo sơn
Chế tạo chất tạo màng bằng phương pháp trộn nóng chảy 2 thành phần chính là nhựa epoxy và nhựa than đá.
Chế tạo past của sericit trong nhựa epoxy bằng phương pháp nghiền bi trên máy nghiền bi hành tinh.
Chế tạo các mẫu sơn có hàm lượng sericit khác nhau từ 0-20% bằng cách khuếch tán đều past sericit vào trong dung dịch chất tạo màng.
2.2.4. Nghiên cứu các tính chất của sơn và màng sơn
Các tính chất của sơn và màng sơn được xác định theo tiêu chuẩn hiện hành của TCVN hoặc tiêu chuẩn ngành tại Viện KHCN Giao thông vận tải và Phòng VL polyme và compozit, Viện KH Vật liệu.
2.2.4.1. Xác định hàm lượng chất không bay hơi
Hàm lượng chất không bay hơi được xác định theo TCVN 2093-1993.
Cách xác định:
Cân khoảng 10 g mẫu sơn trong đĩa petri (m0). Sấy trong tủ ở nhiệt độ 70 0C trong khoảng 1 giờ, sau đó nâng nhiệt độ tới 100 0C và sấy tiếp
Khóa luận tốt nghiệp Hoàng Thị Thúy Nga cho đến khi khối lượng không đổi (mi)
Hàm lượng chất không bay hơi được tính bằng %
Hàm lượng chất không bay hơi (%) = mi/m0
2.2.4.2. Xác định độ mịn của sơn
Độ mịn của sơn được xác định theo TCVN 2091-1993, đo bằng thước đo độ mịn, có thang đo đến m.
Cách đo:
Đặt thước (khô, sạch) lên mặt phẳng nằm ngang có bề mặt không bị trượt.
Rót một lượng mẫu vào rãnh sao cho mẫu hơi chảy ra ngoài một ít. Giữ cho dao gạt vuông góc với bề mặt thước, lưỡi dao gạt song song
với chiều ngang thước và tiếp xúc với bề mặt thước ở phía sâu nhất của rãnh. Kéo dao gạt quá khỏi điểm có độ sâu 0 m của rãnh với tốc độ không đổi trong 1-2 s. Sử dụng một áp lực vừa đủ xuống dao gạt sao cho rãnh được lấp đầy mẫu và lượng dư bị gạt ra ngoài.
Trong thời gian không quá 3 s kể từ khi gạt xong, quan sát mẫu dưới ánh sáng với góc nhìn trong khoảng 20-300 so với bề mặt thước. Đọc kết quả trên rãnh mà ở đó xuất hiện bề mặt lốm đốm nhiều, đặc biệt ở chỗ mà một vùng rộng 3 mm ngang qua rãnh chứa 5-10 hạt.
Độ mịn của sơn xác định bằng m
2.2.4.3. Xác định thời gian khô của sơn
Khóa luận tốt nghiệp Hoàng Thị Thúy Nga
Cách đo:
Đánh giá trạng thái khô bề mặt: Đặt tấm mẫu theo phương nằm ngang. Rót khoảng 0,5 g cát lên bề mặt màng từ độ cao 100-150 mm. Sau 10 s, giữ tấm mẫu ở góc 200 theo phương ngang và quét nhẹ cát đi bằng chổi lông mềm. Màng được coi là đạt độ khô bề mặt nếu tất cả các hạt cát được quét đi không để lại khuyết tật trên bề mặt màng.
Xác định trạng thái khô cấp I: Sau khi khô, đặt tấm mẫu thử lên tấm nền phẳng. Đặt miếng vải lên vùng thử nghiệm. Đặt quả cân lên mặt trên của bộ nén sao cho tạo nén với áp lực 50 G/cm2, hạ bộ nén xuống cho miếng cao su nằm gọn trong miếng vải. Bấm đồng hồ và để bộ nén ở vị trí này 10± 1s. Sau 10 s, xoay bộ nén đi một góc 900
trong thời gian 2±0,5 s. Nhấc bộ nén lên, bỏ tấm mẫu thử ra và kiểm tra. Lặp lại phép thử này 3 lần. Nếu màng không bị khuyết tật hay để lại vết trong cả 3 lần thì màng được coi là đạt độ khô cấp I. Ghi lại thời gian dài nhất đã đo được sau 3 lần thử.
Xác định thời gian khô cấp II: Cách làm tương tự như xác định thời gian khô cấp I nhưng ở đây quả cân được sử dụng có khối lượng sao cho tạo nên áp lực có độ nén lên tấm mẫu là 500 G/cm2.
2.2.4.4. Xác định độ bền va đập của màng sơn
Độ bền va đập của màng sơn được xác định theo TCVN 2100-1993.
Cách đo:
Đặt tấm mẫu vào vị trí trên đe, mặt sơn đặt lên phía trên.
Để tải trọng có khối lượng quy định rơi trên tấm mẫu. Kiểm tra trên bề mặt mẫu có bị gãy hoặc bị bóc tách ra khỏi nền không.
Khóa luận tốt nghiệp Hoàng Thị Thúy Nga Lặp lại phép thử cho 4 tấm mẫu khác nhau. Phép thử coi như là thỏa
mãn nếu 4 tấm có màng sơn không bị gãy hoặc bóc tách ra khỏi nền. Ghi rõ độ cao trung bình (bằng cm) và khối lượng tải trọng (kg) mà ở
đó xuất hiện sự gãy hoặc bóc tách đầu tiên của màng sơn do va đập. Kết quả phép đo được tính bằng KG.cm.
2.2.4.5. Xác định độ bền uốn của màng sơn
Độ bền uốn của màng sơn được xác định theo TCVN 2099-1993. Dụng cụ: Có thể dùng 2 dụng cụ
Dụng cụ I: Bao gồm một bản lề có các trục hình trụ, đường kính các trục từ 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 16, 20, 25 và 32 mm. Hai mặt phẳng của dụng cụ phải được quay tự do trên trục quay của dụng cụ và phải dừng ngay khi mặt tấm thử đã được uốn cong đến vị trí song song.
Dụng cụ II: Gồm 5 bản kim loại có bề mặt 30x40 mm và chiều dày khác nhau 1 -2- 3- 4- 5 mm. ở một phía cạnh dọc của mỗi bản có nửa hình trụ, bán kính phần hình trụ bằng nửa chiều dầy của mỗi bản tương ứng. Mỗi bản này có thể gá lắp vào rãnh của một khung kẹp bằng kim loại.
Cách đo:
Dụng cụ I: Tiến hành ở nhiệt độ phòng 25 ± 2 0C. Mở rộng dụng cụ, lồng trục vào, lắp các tấm mẫu sao cho khi uốn cong bề mặt phủ sơn phải nằm ngoài. Đóng dụng cụ lại sao cho không bị giật kéo bất thình lình trong khoảng thời gian từ 1-2 s để tâm mẫu bị uốn vòng qua trục
Khóa luận tốt nghiệp Hoàng Thị Thúy Nga 1800.
Dụng cụ II: Tiến hành ở nhiệt độ phòng 25 ± 20C. Đặt tấm mẫu lên bản kim loại, bề mặt sơn quay ra phía ốc xiết, cạnh tròn của bản kim loại quay lên trên. ép mặt sơn cần thử vào bản kim loại và lá thép của khung. Vặn ốc để xiết chặt lấy tấm mẫu với bản kim loại vào nép chắn. Dùng tay uốn mẫu sơn cần thử lượn vòng theo bản kim loại và uốn một cách đều đặn trong 1-2 s.
Độ bền uốn của màng được biểu diễn bằng đường kính của trục nhỏ nhất hoặc chiều dầy nhỏ nhất của bản kim loại, mà trên đó màng sơn chưa bị biến dạng, đơn vị đo là mm.
2.2.4.6. Xác định độ cứng của màng sơn
Độ cứng của màng sơn được xác định theo TCVN 2098-1993.
Dụng cụ: Gồm một khung mở nối bằng thanh ngang, mặt dưới lắp viên bi được coi như điểm tựa. Đầu thấp của khung có gắn một kim chỉ. Bệ đỡ là một thanh thẳng đứng gắn chặt vào thanh ngang, phía dưới có bảng số theo dõi sự thay đổi góc của con lắc trong quá trình dao động chuyển từ góc 60 sang 30, điểm nghỉ của con lắc là vị trí không.
Cách đo:
Quan sát các viên bi của con lắc theo định kỳ, khi bề mặt của viên bi bị mòn tại điểm tiếp xúc, phải xoay lại hoặc thay viên bi mới.
Tiến hành thử ở nhiệt độ 25±20C và độ ẩm tương đối la 70±5%. Máy phải để xa nguồn chấn động.
Khóa luận tốt nghiệp Hoàng Thị Thúy Nga xuống 30 đối với tấm kính chuẩn.
Xác định thời gian dao động tắt dần của con lắc đối với màng sơn cần thử bằng cách thay thế tấm kính chuẩn bằng tấm mẫu. Ghi lại số thời gian bằng giây cho biên độ tắt dần của con lắc đối với tấm mẫu phải thử. Lặp lại phép thử ba lần và lấy kết quả trung bình của ba lần thử. Độ cứng của màng sơn thể hiện bằng %, được tính bằng công thức:
t X =
t1 Trong đó:
t: thời gian dao động tắt dần của con lắc (60-30) trên màng sơn thử.
t1: thời gian dao động tắt dần của con lắc trên kính chuẩn.
2.2.4.7. Xác định độ bám dính màng sơn trên nền thép
Độ bám dính màng sơn trên nền thép được xác định theo TCVN 2097- 1993.
Cách đo:
Đặt tấm mẫu thử lên một mặt phẳng cứng sao cho tấm mẫu không bị biến dạng trong khi thử.
Tì lưỡi dao lên bề mặt tấm mẫu và dùng thước kẻ các vết cắt lên màng với tốc độ không đổi. Tất cả các vết cắt phải ăn sâu tới lớp nền của tấm mẫu, song song và cách nhau như đã quy định.
Khóa luận tốt nghiệp Hoàng Thị Thúy Nga theo các vết cắt vài lần về phía trước và vài lần về phía sau.
Bảng 1: Phân loại độ bám theo kết quả thử.
Điểm Mô tả
1 Vết cắt hoàn toàn nhẵn, không có các mảng bong ra.
2
Các mảng nhỏ bị bong ra ở các điểm cắt nhau, diện tích bong chiếm không quá 5% diện tích bề mặt của mạng lưới.
3
Các màng bị bong dọc theo các vết cắt, diện tích bong từ 5- 15% diện tích mạng lưới.
4
Màng bị bong dọc theo vết cắt hay cả mảng hình vuông, diện tích bong ra từ 15-30% diện tích mạng lưới.
5
Màng bị bong dọc theo vết cắt theo các mảng rộng hay cả mảng hình vuông, diện tích bị bong chiếm hơn 35% diện tích mạng lưới.
2.2.4.8. Xác định độ bền hóa chất của màng sơn.
Độ bền hóa chất của màng sơn được xác định theo 22 TCVN 2335:97. Dụng cụ, hóa chất:
Cốc thủy tinh 1000 ml,
Các tấm mẫu kính không ít hơn 3,
Khóa luận tốt nghiệp Hoàng Thị Thúy Nga + Axit HCl nồng độ 2%.
+ NaOH nồng độ 5 % Cách tiến hành:
Sơn đều đặn lên các tấm kính để đạt độ che phủ theo TCVN 2095- 1993. phía bản lề của tấm kính không được sơn với khoảng cách từ lề vào là 10mm.
Tấm mẫu sau khi sơn để khô 72 giờ.
Để lại một tấm mẫu, số còn lại ngâm trong các cốc chứa 750 ml dung dịch hóa chất (muối, axit, kiềm). Các tấm mẫu được ngâm trong cốc với chiều cao của dung dịch là 60 mm và giữ ở nhiệt độ 25±10.
Ngâm 48 giờ và lấy tấm mẫu ra quan sát, đối chiếu với tẫm mẫu không ngâm để đánh giá sự thay đổi của màng.
2.2.4.9. Thử nghiệm nhân tạo mù muối
Thử nghiệm nhân tạo mù muối được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM B-117.
Dung dịch muối có nồng độ 5%. Nhiệt độ thử nghiệm là 350C. Mẫu đặt nghiêng 150.
Mức độ gỉ được đánh giá thei ASTM D-1654-61.
2.2.4. Nghiên cứu cấu trúc hình thái sơn
Khóa luận tốt nghiệp Hoàng Thị Thúy Nga tử quét (SEM), trên thiết bị của hãng JEOL, Nhật Bản, tại Trung tâm COMFA, Viện KH Vật liệu.
Mẫu nghiên cứu được ngâm vào nitơ lỏng, dùng kìm bẻ gẫy, bề mặt bẻ gẫy được phủ một lớp platin mỏng bằng phương pháp bốc bay trong chân không. ảnh SEM bề mặt gãy thể hiện cấu trúc và độ tương hợp giữa các pha trong mẫu đo.
Chương 3 : kết quả và thảo luận
3.1. Nghiên cứu biến đổi bề mặt sericit bằng hợp chất silan
3.1.2. Nghiên cứu điều kiện phản ứng silan hóa bề mặt sericit
3.1.1.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ silan
Khóa luận tốt nghiệp Hoàng Thị Thúy Nga bằng hợp chất silan ở nồng độ 0,5%, 1%, 4% trong dung dịch ethanol.
Hình 3: Phổ FT-IR của khoáng sericit biến đổi bề mặt bằng 3-APTMS trong ethanol ở các nồng độ khác nhau
(a) Sericit ban đầu;(b) 0,5% 3-APTMS; (c) 1% 3-APTMS và (d) 4% 3- APTMS
Trong phổ hồng ngoại của các mẫu sericit nhận được, vạch phổ mạnh và nhọn ở 3627cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị của nhóm OH tự do (không tạo liên kết hydro) trong tinh thể sericit. Các vạch phổ rộng và mạnh xung quanh đỉnh 1025 cm-1
đặc trưng cho các liên kết Si-O-Si, Si-O và Si-O- Al (ở các dải hấp thụ 1165 cm-1, 1065 cm-1 và 1025 cm-1 tương ứng) trong
Đ ộ tru y ề n q u a (a .u ) Số sóng (cm-1)
Khóa luận tốt nghiệp Hoàng Thị Thúy Nga tinh thể sericit.
Phổ IR của các mẫu sericit biến đổi bề mặt bằng silan xuất hiện các vạch phổ mới, là các vạch phổ không xuất hiện trong mẫu sericit chưa được xử lý bề mặt. Các vạch phổ này cho cường độ lớn với các mẫu được xử lý trong dung dịch có nồng độ silan cao, tương ứng với các phân tử 3-APTMS được hấp phụ trên bề mặt của sericit. Các đỉnh hấp phụ ở 3433 cm-1
và 1613 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị và dao động biến dạng của nhóm amin bậc 1 trong phân tử silan. Vạch phổ ở 3038 cm-1 đặc trưng cho nhóm -NH3
+
trong phân tử silan đã được proton hóa (trong môi trường axit).
Cường độ các vạch phổ này tăng một cách đáng kể ở mẫu sericit biến đổi bề mặt trong dung dịch chứa 1% silan so với mẫu xử lý trong dung dịch chứa 0,5% silan nhưng lại tăng không đáng kể ở mẫu có nồng độ 4% so với mẫu có nồng độ 1% silan. Điều này chứng tỏ sericit được xử lý trong dung dịch chứa 1% silan theo khối lượng là thích hợp nhất và đạt được hiệu quả tốt.
Sự xuất hiện các vạch phổ đặc trưng cho nhóm -NH3 +
của các sericit đã được biến đổi bề mặt chứng tỏ phản ứng silan hóa chủ yếu diễn ra ở bề mặt sericit là phản ứng trao đổi ion của các cation silan có phần mang điện tích dương -NH3+
trên phân tử silan với ion K+, nhằm trung hòa phần điện tích âm bề mặt của sericit. Điều này đã được đề cập đến trong phần tổng quan, tinh thể sericit có cấu trúc lớp, các lớp này dễ tách ra khỏi nhau ở bề mặt chứa ion K+. Trong dung môi, các ion K+ này tách ra để lộ bề mặt mang điện tích âm của các tinh thể sericit. Điều này làm cho liên kết của silan với bề mặt của sericit không giống như với bề mặt của thủy tinh cũng như nhiều chất độn vô cơ khác.
Khóa luận tốt nghiệp Hoàng Thị Thúy Nga
3.1.1.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian phản ứng
Hình 4 biểu diễn phổ hồng ngoại các mẫu sericit biến đổi bề mặt trong dung dịch chứa 1% silan trong khoảng thời gian 1h, 4h và 24h trong môi