CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.2. Kết quả khảo sát các tính chất của lớp mạ tổ hợp Ni-Al2O3
3.2.1. Kết quả chụp ảnh SEM
Các mẫu được mạ từ dung dịch chứa NiCl2 0,08 M + glyxin 0,2 M + CH3COONa 1,8 M, pH = 5,5, chứa 60 g/L Al2O3 và không chứa Al2O3. Hai mẫu được mạ dòng không đổi trên máy điện hóa đa năng AutoLab ở điều kiện giống nhau:
Mật độ dòng điện: -20 mA/cm2, Thời gian mạ: 20 phút, Tốc độ khuấy: 600 vòng/phút Nhiệt độ dung dịch: 40oC.
Các mẫu được gửi đi chụp ảnh bề mặt SEM tại Trung tâm đánh giá hư hỏng vật liệu COMFA Hà Nội, kết quả được thể hiện trên Hình 3.5.
GVHD: TS. VŨ THỊ DUYÊN Trang 41
Hình 3.5. Ảnh SEM của lớp mạ điện hóa Ni (a, b) và lớp mạ tổ hợp Ni-Al2O3 (c,d)
Kết quả chụp SEM cho thấy ở cùng một độ phóng đại, bề mặt mạ niken thuần (a, b) nhẵn hơn nhiều so với lớp mạ tổ hợp Ni-Al2O3 (c, d). Trên bề mặt mạ tổ hợp có các hạt dạng tinh thể có kích thước khác nổi lên trên, những tinh thể này có khả năng là các hạt Al2O3 bị niken chôn lấp một phần.
3.2.2. Kết quả xác định thành phần EDX của bề mặt mạ
Để xác định hàm lượng nhôm có mặt trong lớp mạ niken, tiến hành mạ dòng không đổi trên máy đo điện hóa AutoLab với điện cực so sánh Ag/AgCl, điện cực đối là Ni, điện cực làm việc Cu (1cm x 1cm). Thời gian mạ 20 phút (1200s) với mật độ dòng i = -20 mA/cm2 từ dung dịch NiCl2 0,08 M + glyxin 0,2 M + CH3COONa 1,8 M,
a b
GVHD: TS. VŨ THỊ DUYÊN Trang 42 pH = 5,5, chứa 60 g/L Al2O3. Sau khi mạ xong rửa lại bằng nước cất và sấy khô ở 60oC. Gửi mẫu đi đo EDX ở Trung tâm đánh giá hư hỏng vật liệu COMFA tại Hà Nội.
Kết quả thực nghiệm được thể hiện trên Hình 3.6.
Hình 3.6. Phổ EDX phân tích bề mặt lớp mạ tổ hợp Ni-Al2O3
Dựa vào kết quả ở Hình 3.6, nhận thấy trên bề mặt xuất hiện các pic của Al, Ni, O, điều này chứng tỏ Al2O3 đã được đưa thành công vào trong lớp mạ composite.
Kết quả phân tích thành phần nguyên tố của 1 mẫu (mẫu có tốc độ khuấy bằng 600 vòng/phút) tại 4 vị trí khác nhau được thể hiện trong Bảng 3.1.
Bảng 3.1. Kết quả phân tích hàm lượng các nguyên tố trong mẫu mạ tổ hợp Ni-Al2O3
Phần trăm khối lượng
Ví trí Ni Al O
1 65,58 20,85 13,57
2 67,32 19,83 12,85
3 64,92 20,52 14,55
4 65,73 20,67 13,6
Kết quả phân tích EDX cho thấy bề mặt tương đối đồng đều, hàm lượng nguyên tố gần giống nhau với các lần đo tại các vị trí khác nhau trên cùng một bề mặt.
GVHD: TS. VŨ THỊ DUYÊN Trang 43 Từ các dữ kiện EDX về thành phần nguyên tố xác định lại % Al2O3 theo công thức: 2 3 % .102 % 54 Al Al O m m
Kết quả cho thấy hàm lượng Al2O3 trên bề mặt lớp mạ tổ hợp Ni-Al2O3 mạ điện từ dung dịch NiCl2 0,08 M + Gly 0,2 M + CH3COONa 1,8 M + Al2O3 60 g/L, pH 5,5 trung bình đạt khoảng 39,38%.
3.2.3. Độ bền hóa chất
Để đánh giá độ bền hóa chất, các mẫu được mạ trên máy điện hóa AutoLab từ dung dịch chứa: NiCl2: 0,08 M Glyxin: 0,2 M CH3COONa: 1,8 M pH: 5,5 Tốc độ khuấy: 600 vòng/phút Nhiệt độ dung dịch mạ: 30oC
Hàm lượng Al2O3 ở trong dung dịch 0 g/L hoặc 60 g/L
Hai mẫu Ni thuần và Ni-Al2O3 sau khi mạ được rửa lại bằng nước cất và sấy khô ở 60oC, rồi đem cân trên cân phân tích xác định khối lượng m1. Sau đó đem ngâm trong dung dịch HCl 1 M và dung dịch NaCl 3,5% trong thời gian 24 h; 48 h và 72 h. Sau khi ngâm, lấy các mẫu ra rửa sạch, lau và sấy khô ở 60oC rồi đem cân lại xác định khối lượng m2. Dựa vào công thức (1.3) và (1.4) xác định tốc độ ăn mòn khối lượng của các mẫu.
Kết quả thực nghiệm xác định tốc độ ăn mòn khối lượng các mẫu được thể hiện trong Bảng 3.2.
GVHD: TS. VŨ THỊ DUYÊN Trang 44
Bảng 3.2. Tốc độ ăn mòn khối lượng (Pkl, g.cm-2.ngày-1) của mẫu Ni thuần và mẫu Ni-Al2O3 trong dung dịch NaCl 3,5% và HCl 1 M
Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tốc độ ăn mòn khối lượng vào thời gian trong môi trường NaCl 3,5% và HCl 1 M của mẫu bề mặt mạ Ni thuần và Ni-Al2O3 được thể hiện trên Hình 3.6 và Hình 3.7.
Kết quả thực nghiệm cho thấy, cả Ni và Ni-Al2O3 mạ điện hóa từ dung dịch niken clorua nồng độ thấp chứa đệm glyxin đều khá bền trong dung dịch NaCl 3,5% và dung dịch HCl 1 M. Theo thời gian quá trình ăn mòn dần ổn định, tốc độ ăn mòn có xu hướng giảm dần. Trong dung dịch NaCl 3,5% thì các mẫu bền hơn trong dung dịch HCl 1 M. Cùng thời gian ngâm, tốc độ ăn mòn bề mặt của lớp mạ tổ hợp Ni –Al2O3 trong cả 2 loại dung dịch NaCl và HCl đều nhỏ hơn nhiều so với lớp mạ thuần Ni. Điều này có thể là do tính trơ của Al2O3 trong môi trường ăn mòn.
Hình 3.7. Tốc độ ăn mòn khối lượng của mẫu Ni thuần và Ni –Al2O3 trong dung dịch NaCl 3,5% trong thời gian 24 h, 48 h, 72 h
0 0.001 0.002 0.003
1 ngày 2 ngày 3 ngày
Tốc độ ăn m òn khối lượ ng (g.cm -2 .ngà y -1 )
Thời gian (ngày)
0 g/L
60 g/L
Mẫu Dung dịch NaCl 3,5% Dung dịch HCl 1 M
24 h 48 h 72 h 24 h 48 h 72 h Ni 2,5.10-3 2.10-3 1,67.10-3 3,5.10-3 2,5.10-3 2.10-3 Ni-Al2O3 10-3 7,5.10-4 5.10-4 2.10-3 1,25.10-3 10-3
GVHD: TS. VŨ THỊ DUYÊN Trang 45
Hình 3.8. Tốc độ ăn mòn khối lượng của mẫu Ni thuần và Ni-Al2O3 trong dung dịch HCl 1 M trong thời gian 24 h, 48 h, 72 h
So với các lớp mạ niken Ni-TiO2 và Ni-TiO2-W [13], lớp mạ tổ hợp Ni-Al2O3 có khả năng chống ăn mòn hóa chất tương đương.
3.2.4. Độ bền ăn mòn điện hóa
Để đánh giá vai trò của Al2O3 trong việc tăng khả năng chống ăn mòn cho lớp mạ niken, tiến hành tạo lớp mạ tổ hợp bằng cách mạ dòng không đổi các mẫu trong dung dịch NiCl2 0,08 M + glyxin 0,2 M + CH3COONa 1,8 M, pH = 5,5, mật độ dòng điện - 20 mA/cm2, thời gian mạ 20 phút, tốc độ khuấy 600 vòng/phút và nhiệt độ 40oC với hàm lượng Al2O3 lần lượt là 0 g/L; 60 g/L. Tiến hành đo dòng ăn mòn hai mẫu Ni thuần và Ni-Al2O3 trong dung dịch NaCl 3,5% trên máy đo điện hóa Auto Lab khoa Hóa- trường Đại học Sư phạm Đà Nẵng.
Kết quả đo dòng ăn mòn được thể hiện trên Hình 3.8. 0
0.001 0.002 0.003 0.004
1 ngày 2 ngày 3 ngày
Tốc độ ă n m òn khố i lượng (g.cm -2 .ngày -1
Thời gian (ngày)
0 g/L 60 g/L
GVHD: TS. VŨ THỊ DUYÊN Trang 46
Hình 3.9. Đường cong phân cực anot của mẫu Ni thuần và Ni-Al2O3 trong dung dịch NaCl 3,5%
Kết quả xác định đường cong phân cực anot của mẫu Ni thuần và mẫu mạ tổ hợp Ni-Al2O3 trong dung dịch NaCl 3,5 % cho thấy sự có mặt của Al2O3 trong lớp mạ tổ hợp không làm thay đổi nhiều hình dạng cũng như độ cao của đường phụ thuộc. Thêm Al2O3 đường cong phân cực bị đẩy về vùng thế dương hơn.
Bằng phép ngoại suy Tafel ta thu được giá trị mật độ dòng ăn mòn và thế ăn mòn của các mẫu Ni-Al2O3 như trong Bảng 3.3.
Bảng 3.3. Giá trị mật độ dòng ăn mòn (iam) và thế ăn mòn (Eam) của mẫu Ni thuần và Ni-Al2O3 trong dung dịch NaCl 3,5%
Tên mẫu Ni Ni-Al2O3
E am (V) -0,71 -0,63
iam (A/cm2) 8,12.10-5 6,65.10-5
Dựa vào kết quả đo dòng ăn mòn ở Bảng 3.6, nhận thấy rằng khi thêm Al2O3 thì thế ăn mòn dịch chuyển về vùng dương hơn, mật độ dòng ăn mòn cũng nhỏ hơn. Tuy rằng ảnh hưởng của hạt Al2O3 là không nhiều. Điều này chứng tỏ rằng khi mẫu có thêm Al2O3 thì khó bị ăn mòn hơn so với mẫu không có Al2O3.
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 Log i E, V so với Ag/AgCl 0 g/L 60 g/L
GVHD: TS. VŨ THỊ DUYÊN Trang 47
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. KẾT LUẬN
- Đã xây dựng và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến đường cong catot của niken từ dung dịch mạ điện niken clorua nồng độ thấp chứa đệm glyxin. pH và hàm lượng Al2O3 trong dung dịch mạ ảnh hưởng đáng kể đến thế bắt đầu khử Ni2+ và giá trị mật độ dòng. Điều kiện tốt nhất để khử Ni2+ là pH = 5,5.
- Đã chế tạo thành công lớp mạ tổ hợp Ni-Al2O3 từ dung dịch mạ điện niken clorua nồng độ thấp chứa glyxin bằng phương pháp mạ dòng không đổi.
- Đã chụp ảnh SEM bề mặt các lớp mạ Ni và Ni- Al2O3. Thấy rằng bề mặt Ni nhẵn hơn nhưng không sáng bóng bằng bề mặt Ni- Al2O3. Kết quả phân tích thành phần nguyên tố EDX cho thấy Al2O3 phân bố khá đồng đều trên bề mặt lớp mạ Ni, chiếm 39,38% về khối lượng khi mạ dòng không đổi từ dung dịch có thành phần 0,08 M NiCl2 + 0,2M Gly + 1,8 M CH3COONa + 60 g/L Al2O3.
- Đã khảo sát khả năng chống ăn mòn của lớp mạ tổ hợp Ni- Al2O3 trong dung dịch NaCl 3,5% và dung dịch HCl 1 M. Đã chứng minh được lớp mạ Ni- Al2O3 bền hơn lớp mạ thuần Ni.
2. KIẾN NGHỊ
Lớp mạ composite làm tăng độ bền về cơ, lý, hóa. Do vậy, cần có thêm những nghiên cứu sâu về độ cứng tế vi, tính chất siêu kị nước của lớp mạ.
GVHD: TS. VŨ THỊ DUYÊN Trang 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
[1] Trần Minh Hoàng (2002), Mạ điện, NXB Khoa Học Kỹ Thuật. [2] Nguyễn Khương (2006), Mạ điện , NXB Khoa Học Kỹ Thuật.
[3] Trương Ngọc Liên (2000), Điện hóa lý thuyết, NXB Khoa Học Kỹ thuật.
[4] Bộ tài nguyên và môi trường, Công nghệ xử lý nước thải xi mạ, Đại học tài nguyên và môi trường TP.HCM.
[5] Vũ Thị Duyên (2013), Nghiên cứu điều chế dung dịch mạ niken với tác nhân đệm
là các axit hữu cơ, Đà Nẵng.
[6] Lê Văn Huỳnh (2017), Nghiên cứu sự tạo phức của một số ion kim loại với glyxin
bằng phương pháp phân tích nhiệt, Tạp chí hóa học 55(3), tr.378-382.
[7] Nguyễn Hữu Trịnh (2002), Nghiên cứu và điều chế các dạng hidroxit nhôm và oxit
nhôm và ứng dụng trong công nghiệp lọc dầu, Luận án tiến sĩ Hóa học, Trường Đại
học Bách khoa Hà Nội.
[8] Nguyễn Hữu Trịnh (2003), Nghiên cứu tính chất hóa lý của 𝛾 − Al2O3 và η
− Al2O3, Tạp chí Hóa học và ứng dụng số 3, Hà Nội, tr.9.
[9] Lý Quốc Cường (2016), Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt đến cấu
trúc, tính chất của hệ lớp phủ kép nhôm và hợp kim Ni – 20 Cr trên nền thép, Luận án
tiến sĩ hóa học, Hà Nội.
[10] Lý Việt Anh (2011), Nghiên cứu khả năng làm việc của chi tiết mạ composite
Al2O3 trong điều kiện ma sát trượt trong môi trường ăn mòn, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
ngành công nghệ chế tạo máy.
[11] Trương Đức Thiệp (2013), Nghiên cứu công nghệ mạ composite và ứng dụng mạ
thử nghiệm các chi tiết nhằm nâng cao chất lượng bề mặt mạ, Thái Nguyên.
[12] Nguyễn Tiến Tài (2009), Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ khuấy đến chất lượng
mạ composite Chrome, Thái Nguyên.
[13] Lê Thị Phương Thảo (2016), Nghiên cứu tạo lớp mạ tổ hợp kim loại Ni- nano
TiO2, Cu- nano TiO2 kỵ nước, Hà Nội.
[14] Hà Mạnh Chiến, Vũ Đức Lượng, Mai Thanh Tùng (2011), So sánh tính chất hai
lớp mạ hóa học compozit NiP-Al2O3 và NiP-PTFE, Tạp chí CN hóa chất sô 9, Hà Nội.
[15] Hà Mạnh Chiến (2015) Nghiên cứu công nghệ mạ hóa học tạo lớp phủ compozit
GVHD: TS. VŨ THỊ DUYÊN Trang 49
Tiếng Anh
[16] Heli Koivuluoto and Petri Vuoristo (2009), Effect of Ceramic particles on
properties of cold – sprayed Ni – 20Cr + Al2O3 coatings, Journal of Thermal Spray
Technology.
Trang web