chất của màng sơn
3.3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ bột nhũ nhôm và bột TiO2 đến khả năng chịu nhiệt và một số tắnh chất cơ lý của màng sơn trên cơ sở nhựa silicon
* Ảnh hưởng của tỷ lệ hàm lượng bột nhũ nhôm/TiO2 đến khả năng chịu nhiệt của màng sơn silicon
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ bột nhũ nhôm và bột TiO2 đến khả năng chịu nhiệt của màng sơn trên cơ sở nhựa silicon, đã tiến hành sơn thử nghiệm các mẫu sơn được chế tạo trên cơ sở các đơn công nghệ chỉ ra ở bảng 3.8 và theo sơ đồ công nghệ chế tạo sơn được chỉ ra trong chương 2.
Bảng 3.8. Đơn công nghệ chế tạo sơn chịu nhiệt trên cơ sở nhựa silicon
TT Nguyên liệu Thành phần, % theo khối lượng
MAl18Ti3 MAl15Ti6 MAl12Ti9 MAl9Ti12 MAl6Ti15
1 Nhựa polymetyl phenyl siloxan (50% silicon) 56 56 56 56 56 2 Bột nhũ nhôm 18 15 12 9 6 3 Bột TiO2 3 6 9 12 15 4 Bentonit 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 5 Xylen 22,5 22,5 22,5 22,5 22,5 Tổngcộng 100 100 100 100 100
Các tấm mẫu sơn thử nghiệm được chuẩn bị với chiều dày màng sơn 200 ộm. Kết quả thử nghiệm chịu nhiệt của các tấm mẫu sơn được thực hiện trong lò nung Nabertherm 1300oC với thời gian 25 giây được chỉ ra ở bảng 3.9.
Bảng 3.9. Ảnh hưởng của hàm lượng bột nhũ nhôm/TiO2 đến khả năng chịu nhiệt của màng sơn
TT Tên mẫu Nhiệt độ thử nghiệm,
oC
500 550 600 650 700 750
1 MAl18Ti3 KĐ RN BT - - -
2 MAl15Ti6 KĐ PR BT - - -
4 MAl9Ti12 KĐ PR RN BT - -
5 MAl6Ti15 KĐ PR RN BT - -
* Ghi chú: KĐ: Không đổi, PR: Phồng rộp, RN: Rạn nứt, BT: Bong tróc
Từ các kết quả thử nghiệm được chỉ ra ở bảng 3.9 nhận thấy rằng:
Khi tăng hàmlượng bột TiO2từ 3% lên 9% và giảm hàm lượng bột nhôm từ 18% xuống 12% khả năng chịu nhiệt của màng sơn tăng lên, nhưng khi tăng tiếp hàm lượng bột TiO2 đến 15% và giảm hàm lượng bột nhôm xuống 6%, khả năng chịu nhiệt của màng sơn giảm đi.Điều này có thể được giải thắch là do bột TiO2 có khả năng chịu nhiệt tốt hơn nhiều so với bột nhũ nhôm, tuy nhiên khi hàm lượng bột TiO2 tăng lên quá cao và hàm lượng bột nhũ nhôm giảm đi, mức độ truyền nhiệt của lớp màng phủ giảm đi (do bột nhũ nhôm có khả năng dẫn nhiệt rất tốt). Do khả năng dẫn nhiệt giảm đi nên sự giãn nở, co ngót của màng sơn tại các vị trắ là không đồng đều dẫn đến lớp sơn phủ dễ dàng bị nứt gãy, phồng rộp hoặc bong tróc.
* Phân tắch nhiệt TGA của mẫu sơn MAl12Ti9 và nhựa silicon
Nghiên cứu cụ thể hơn khả năng chịu nhiệt của mẫu sơn, đã tiến hành phân tắch nhiệt TGA của mẫu sơn MAl12Ti9 và nhựa nền silicon. Kết quả thử nghiệm được chỉ ra ở hình 3.34.
Hình 3.34. Ảnh hưởng của tỷ lệ bột nhũ nhôm/ bột TiO2 đến tắnh chất nhiệt của màng sơn trên cơ sở nhựa silicon
Kết quả phân tắch nhiệt của mẫu nhựa silicon và mẫu sơn MAl12Ti9 chỉ rằng nhựa silicon sử dụng trong nghiên cứu có khối lượng mất đi 33,76% và đạt cân bằng ở 800oC. Khi bổ sung thêm các bột nhũ nhôm (với hàm lượng 12%) và bột TiO2 (với hàm lượng 9%) vào thành phần sơn trên cơ sở nhựa silicon, giá trị khối lượng mẫu mất đi ở 800oC là 20,37% khối lượng(xem thêm Phụ lục 34). Từ kết quả phân tắch nhiệt trên nhận thấy rằng, nhiệt độ phân hủy lớn nhất của mẫu nhựa silicon là dưới 500oC, còn đối với mẫu sơn MAl12Ti9 nhiệt độ phân hủy lớn nhất tại 545,8oC và 692,7oC (xem thêm Phụ lục 15 và Phụ lục 34). Điều này chứng tỏ rằng, việc bổ sung thêm bột nhũ nhôm và bột TiO2 làm tăng khả năng chịu nhiệt của màng sơn. Kết quả thử nghiệm này hoàn toàn phù hợp với các kết quả thử nghiệm đánh giá khả năng chịu nhiệt của màng sơn bằng phương pháp đưa các tấm mẫu sơn vào thử nghiệm trong lò nung Nabertherm 1300oC.
* Ảnh hưởng của tỷ lệ hàm lượng bột nhũ nhôm/TiO2 đến tắnh chất cơ lý của màng sơn silicon
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ hàm lượng bột nhũ nhôm/TiO2 trong sơn silicon tới độ bám dắnh, độ bền uốn và độ cứng của màng sơn, các mẫu sơn được gia công trên các tấm kắnh để đo độ cứng và mẫu thép tiêu chuẩn để đo độ bám dắnh, độ bền uốn của màng sơn, chiều dày lớp sơn 30-40 ộm. Kết quả nghiên cứu được trình bày trong bảng 3.10.
Bảng 3.10. Ảnh hưởng của hàm lượng bột nhũ nhôm/TiO2 trong sơn silicon đến một số tắnh chất cơ lý của màng sơn
TT Tên mẫu Tắnh chất cơ lý của màng sơn
Độ bền uốn (mm) Độ bám dắnh (điểm) Độ cứng tương đối
1 MAl18Ti3 2 1 0,28
2 MAl15Ti6 2 1 0,30
3 MAl12Ti9 2 1 0,32
4 MAl9Ti12 3 2 0,33
5 MAl6Ti15 3 2 0,36
nhôm đến 12% và tăng hàm lượng sử dụng bột độn TiO2 đến 9%, độ bền uốn và độ bám dỉnh điểm của màng sơn gần như không thay đổi. Tuy nhiên, nếu hàm lượng bột độn TiO2 tăng lên 12% và bột nhũ nhôm giảm đến 9%, tắnh chất cơ lý về độ bền uốn và độ bám dắnh giảm đi. Bên cạnh đó, theo chiều giảm hàm lượng bột nhũ nhôm và tăng hàm lượng bột TiO2, độ cứng tương đối của màng sơn có xu hướng tăng lên. Điều này có thể được giải thắch, là do bột nhũ nhôm có khảnăng phân tán tốt trong nền nhựa silicon, vì vậy khi giảm hàm lượng bột nhũ nhôm và tăng hàm lượng sử dụng bột TiO2, độ bền uốn và độ bám dắnh của màng sơn giảm đi.
Qua kết quả thực nghiệm ở trên, đã lựa chọn được tỷ lệ bột nhũ nhôm/TiO2
(% theo khối lượng) sử dụng trong thành phần của sơn trên cơ sở nhựa silicon là 12/9 để tiến hành các nghiên cứu tiếp theo.
3.3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng chiều dày lớp sơn phủ đến khả năng chịu nhiệt của màng sơn
Để đánh giá ảnh hưởng chiều dày lớp sơn phủ đến khả năng chịu nhiệt của màng sơn, các mẫu sơn thử nghiệm MAl12Ti9 được chế tạo trên cơ sở đơn công nghệ chỉ ra trong bảng 3.11 và theo sơ đồ công nghệ chế tạo sơn được chỉ ra ở chương 2. Các tấm mẫu sơn thử nghiệm được chuẩn bị với chiều dày lớp sơn phủ khác nhau, thay đổi từ 100 μm đến 500 μm. Kết quả thử nghiệm khả năng chịu nhiệt của các tấm mẫu tiến hành trong lò nung Nabertherm 1300oC với thời gian 25 giây và được chỉ ra ở bảng 3.12.
Bảng 3.11. Đơn công nghệ chế tạo sơn chịu nhiệt theo mẫu MAl12Ti9
TT Nguyên liệu Hàm lượng, % theo khối lượng
1 Nhựa polymetyl phenyl siloxan (50%
silicon) 56 2 Bột nhũ nhôm 12 3 Bột TiO2 9 4 Bentonit 0,5 5 Xylen 22,5 Tổng cộng 100
Bảng 3.12. Ảnh hưởng chiều dày lớp sơn phủ đến khả năng chịu nhiệt của màng sơn MAl12Ti9
TT Chiều dày, μm Nhiệt độ thử nghiệm (
oC) 500 550 600 650 700 750 1 100 KĐ KĐ PR BT - - 2 150 KĐ KĐ PR BT - - 3 200 KĐ KĐ RN BT - - 4 300 KĐ PR RN - - - 5 400 KĐ PR RN - - - 6 500 KĐ PR RN - - -
* Ghi chú: KĐ: Không đổi, PR: Phồng rộp, RN: Rạn nứt, BT: Bong tróc
Từ các kết quả thử nghiệm được chỉ ra ở bảng 3.12 nhận thấy rằng, khi chiều dày lớp sơn phủ tăng lên làm giảm khả năng chịu nhiệt của màng sơn. Cụ thể, khi chiều dày lớp sơn phủ tăng từ 100 đến 200 ộm, khả năng chịu nhiệt của màng sơn ắt thay đổi. Tuy nhiên, khi chiều dày lớp sơn phủ có giá trị từ 300 ộm trở lên, khả năng chịu nhiệt của màng sơn bắt đầu suy giảm. Điều này có thể được giải thắch là do khi tăng chiều dày lớp sơn phủ, dưới tác động của quá trình sốc nhiệt ở nhiệt độ cao, sự giãn nở giữa màng sơn và lớp nền thép không đồng đều. Chắnh điều này làm cho màng sơn bị phồng rộp, rạn nứt và sau đó dẫn đến bong tróc.
Vì vậy, việc lựa chọn chiều dày lớp sơn phủ sao cho vừa đảm bảo khả năng chịu nhiệt, vừa có tác dụng bảo vệ lớp màng sơn phủ bên ngoài là yếu tố quyết định đến hiệu quả của màng sơn. Do đó, chiều dày lớp sơn phủ 200 ộm đã đượclựa chọn để tiến hành các thử nghiệm tiếp theo.
3.3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình sấy đến tắnh chất của màng sơn
Đối với sơn trên cơ sở nhựa silicon sử dụng phương pháp đóng rắn bằng hơi nước ở điều kiện môi trường tự nhiên, sau đó tiến hành đóng rắn bằng nhiệt độ (sấy cưỡng bức). Quá trình đóng rắn bằng hơi nước và quá trình sấy để tấm mẫu sơn phủ khô hoàn toàn có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của màng sơn phủ hình thành. Trong phạm vi nghiên cứu này, ngoài việc để đóng rắn trong điều kiện môi trường tự nhiên, ảnh hưởng của quá trình sấy mẫu sơn với chiều dày lớp sơn phủ khác nhau
là 50 ộm và 200 ộm đã được nghiên cứu. Các tấm mẫu sau khi sơn phủ, được để khô tự nhiên ở điều kiện nhiệt độ phòng trong 10-12 giờ trước khi được đem sấy. Sơ đồ quá trình sấy tấm mẫu sơn phủ và các kết quả thử nghiệm được chỉ ra trong hình 3.35 và hình 3. 36.
Hình 3.35. Sơ đồ quá trình sấy với các tấm mẫu sơn phủ
a. Chiều dày 50 ộm, chế độ sấy MS-1 b. Chiều dày 200 ộm, chế độ sấy MS-1
c. Chiều dày 50 ộm, chế độ sấy MS-2 d. Chiều dày 200 ộm, chế độ sấy MS-2
Từ các kết quả thử nghiệm ở hình 3.36 chỉ ra rằng, đối với các tấm mẫu thử nghiệm với chiều dày lớp sơn phủ mỏng (50 ộm), quá trình sấy của tấm mẫu có thể được thực hiện bằng cách gia nhiệt từ nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ sấy 200oC với tốc độ nâng nhiệt từ 2oC đến 3oC/phút (chế độ sấy MS-1), kết quả là lớp màng sơn phủ sau quá trình sấy thu được đều mịn, không bị phồng rộp. Tuy nhiên đối với các lớp sơn phủ dày hơn 200 ộm, sấy tương tự với chế độ sấy MS-1 sẽ làm cho màng sơn phủ xuất hiện các điểm phồng rộp. Đối với các lớp sơn phủ dày hơn, khi tiến hành sấy theo chế độ sấy MS-2, màng sơn phủ hình thành không bị bong tróc phồng rộp.
Điều này có thể được giải thắch đối với các tấm mẫu sơn phủ có chiều dày mỏng (50 ộm), trong khi sấy, quá trình bay hơi dung môi ở lớp sơn bên trong diễn ra một cách dễ dàng, nên không có sự khác nhau giữa hai chế độ sấy MS-1 và MS- 2. Còn đối với mẫu sơn phủ có chiều dày lớn hơn (200 ộm), khi quá trình sấy diễn ra theo chế độ sấy MS-1 có thể lớp sơn bên trong chưa thoát hết dung môi, nhưng lớp sơn ở bên ngoài tiếp xúc với môi trường nhiệt độ đã thoát hết dung môi nên bề mặt mẫu khô cứng, đóng rắn, điều này cản trở đến sự thoát dung môi của các lớp sơn bên trong. Sự tắch tụ dung môi ở bên dưới các lớp màng sơn đã khô tạo nên các điểm phồng rộp của màng sơn phủ trên tấm mẫu.
Qua các kết quả thử nghiệm, nhận thấy rằng: đối với các tấm mẫu sơn phủ có chiều dày đến 50 ộm, sử dụng chế độ sấy MS-1 là phù hợp; còn đối với các tấm mẫu sơn có chiều dày lớp sơn phủ 200 ộm trở lên nên áp dụng chế độ sấy MS-2 (các mẫu sơn được gia nhiệt đến các nhiệt độ 80oC, 120oC, 160oC đều được giữ ở nhiệt độ đó trong vòng 01 giờ trước khi tiến hành tiếp tục nâng nhiệt độ, đến nhiệt độ 200oC, duy trì trong 02 giờ, sau đó tắt tủ sấy và làm nguội tự nhiên trong tủ sấy đến nhiệt độ phòng thì lấy sản phẩm) sẽ phù hợp hơn.
3.3.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng nanosilica đến khả năng chịu nhiệt và tắnh chất cơ lý của màng sơn
* Ảnh hưởng của hàm lượng nanosilica đến khả năng chịu nhiệt của màng sơn silicon
Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng nanosilica đến tắnh chất chịu nhiệt của màng sơn silicon, đã tiến hành thay đổi hàm lượng nanosilica trong thành phần của sơn trên cơ sở nhựa silicon với thành phần chắnh theo mẫu MAl12Ti9. Thành phần cụ thể của các đơn nghiên cứu được chỉ ra trong bảng 3.13.
Bảng 3.13. Thành phần các đơn nghiên cứu sơn siliconvới hàm lượng nanosilica khác nhau
TT Thành phần, % Thành phần, % khối lượng
MAl12Ti9 MSi0,2 MSi0,4 MSi0,6 MSi0,8 MSi1,0 MSi1,2
1 Nanosilica 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 2 Nhựa polymetyl phenyl siloxan (50% silicon) 56 56 56 56 56 56 56 3 Bột nhũ nhôm 12 12 12 12 12 12 12 4 Bột TiO2 9 9 9 9 9 9 9 5 Bentonit 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 6 Xylen 22,5 22,3 22,1 21,9 21,7 21,5 21,3 Tổng cộng 100 100 100 100 100 100 100
Tiến hành chế tạo các mẫu sơn tương ứng với các đơn nghiên cứu trên. Sau đó, các tấm mẫu sơn thử nghiệm được chuẩn bị trên các tấm thép (được cắt từ vỏ động cơ CT-18) theo các bước chuẩn bị mẫu thử. Các tấm mẫu được sơn phủ với chiều dày lớp sơn phủ từ 180 Ờ 250 μm, sau khi sấy để ổn định ở điều kiện phòng trong 24 giờ trước khi được đánh giá khả năng chịu nhiệt của màng sơn trong lò nung Nabertherm 1300oC với thời gian 30 giây.
Kết quả thử nghiệm đánh giá khả năng chịu nhiệt của màng sơn trên các tấm mẫu thử được chỉ ra ở bảng 3.14 và hình 3.37.
Bảng 3.14. Ảnh hưởng của hàm lượng nanosilica đến khả năng chịu nhiệt của màng sơn TT Tên mẫu Nhiệt độ thử nghiệm (oC) 500 550 600 650 700 750 1 MAl12Ti9 KĐ KĐ RN BT - - 2 MSi0,2 KĐ KĐ RN BT - - 3 MSi0,4 KĐ KĐ KĐ RN BT - 4 MSi0,6 KĐ KĐ KĐ KĐ RN BT 5 MSi0,8 KĐ KĐ KĐ KĐ KĐ RN 6 MSi1,0 KĐ KĐ KĐ KĐ KĐ RN 7 MSi1,2 KĐ KĐ KĐ KĐ KĐ RN
a. Mẫu MAl12Ti9 b. Mẫu MSi0,2
c. Mẫu MSi0,6 d. Mẫu MSi0,8
Hình 3.37. Hình ảnh các tấm mẫu sơn phủvới hàm lượng nanosilica khác nhau sau khi thử nghiệm ở 700oC
Từ hình 3.37, nhận thấy đối với mẫu sơn silicon không sử dụng nanosilica khi thử nghiệm ở nhiệt độ 600oC màng sơn bị rạn nứt. Khi hàm lượng nanosilica sử dụng trong sơn silicon tăng lên, khả năng chịu nhiệt của các tấm mẫu cũng tăng lên. Khi hàm lượng nanosilica tăng lên đến 0,6%, ở nhiệt độ lên đến 700oC, mới xuất hiện sự rạn nứt màng sơn, khi nâng nhiệt độ lên đến 750oC, việc tăng hàm lượng nanosilica lớn hơn 0,8% cũng không làm thay đổi khả năng chịu nhiệt của màng sơn. Điều này có thể được giải thắch là do các hạt nanosilica đã xâm nhập vào mạch đại phân tử silicon, làm tăng khả năng chuyển hóa năng lượng từ phân tử Si lên cặp điện tử chưa chia của phân tử oxy, trên bề mặt hạt nanosilica có chứa các nhóm hydroxyl, dễ dàng hình thành liên kết với nguyên tử oxy trong nhựa nền silicon dẫn tới có khả năng tương hợp và đan xen cao vào giữa các mạch phân tử polyme hình thành cấu trúc chặt chẽ có tác dụng ngăn cản sự khuếch tán của nhiệt vào bên trong. Ngoài ra, nanosilica cũng có khả năng chịu nhiệt nên nó góp phần nâng cao khả năng chịu nhiệt của màng sơn silicon.
- Phân tắch nhiệt TGA
Để đánh giá sự thay đổi tắnh chất nhiệt của màng sơn khi không và có sử dụng bột nanosilica, các mẫu sơn đã được tiến hành phân tắch nhiệt trọng lượng. Kết quả phân tắch nhiệt được chỉ ra ở hình 3.38.