2.8.1 Xác định dạng bề mặt và hình thái tinh thể lớp phủ
Mẫu nhôm sau khi phosphat hóa được chụp bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) (máy S-4800) với thế gia tốc 10.000kV, độ phóng đại 1000 lần và 10.000 lần.
2.8.2 Xác định thành phần lớp phủ
vXác định thành phần hóa học
Dung dịch sau khi tẩy màng và nước rửa được gộp chung lại, định mức thành 100mL rồi xác định hàm lượng các nguyên tố bằng phương pháp phân tích phổ hấp thu nguyên tử.
vXác định thành phần pha
Thành phần pha của lớp phủ phosphat được xác định bằng phương pháp chụp phổ nhiễu xạ tia X. Cụ thể là tiến hành chụp một lớp màng mỏng trên nền nhôm dưới một góc tới rất hẹp (để tăng chiều dài tia X tương tác với màng mỏng), catot sử dụng là Cu.
So sánh phổ chụp được với phổ chuẩn để xác định thành phần pha của lớp phủ.
2.8.3 Xác định khối lượng lớp phủ và khối lượng nhôm tan trong quá trình phosphat hóa phosphat hóa
Để xác định khối lượng lớp phủ, mẫu nhôm được cân tại 3 thời điểm: (1) trước khi phủ (kí hiệu m0), (2) sau khi phủ (m1), (3) sau khi tẩy lớp phủ (m2).
Dung dịch tẩy màng phosphat phải thỏa yêu cầu là làm tan lớp phủ nhưng không tan kim loại nền nhôm.
Để kiểm tra yêu cầu trên, mẫu nhôm được rửa sạch bụi bẩn…, để khô rồi đem cân. Ngâm 15 phút trong dung dịch CrO3 25% ở 70oC. Lấy ra rửa sạch, để khô rồi đem cân lại. Giá trị 2 lần cân cho thấy khối lượng mẫu nhôm không thay đổi trước và sau khi nhúng vào dung dịch CrO3 25% chứng tỏ mẫu nhôm không tan trong dung dịch này ở 700C.
Khảo sát thời gian tan hoàn toàn của lớp phủ bằng cách nhúng mẫu nhôm đã phosphat hóa vào dung dịch CrO3 25% ở 700C, sau mỗi 1 phút lấy mẫu ra rửa sạch, sấy
khô rồi cân mẫu. Lặp lại cho đến khi thấy khối lượng mẫu không đổi chứng tỏ màng đã tan hết, từ đó xác định được thời gian để lớp phủ tan hoàn toàn là 5 phút.
Vậy chúng tôi tiến hành tẩy màng bằng cách nhúng trong dung dịch CrO3 25% ở 700C trong 5 phút. Sau đó lấy mẫu ra, rửa sạch bằng nước cất, để khô và cân mẫu.
Nước rửa mẫu gộp chung lại với dung dịch vừa tẩy màng, định mức lên 100mL. vKhối lượng lớp phủ:
vKhối lượng nhôm tan:
2.8.4 Xác định độ bám dính của màng sơn bằng phương pháp vật lý
Lựa chọn vùng phẳng trên bề mặt mẫu nhôm, dùng máy cắt Cross hatch cutter 295 cắt 2 đường vuông góc để tạo thành 100 ô vuông có kích thước 1x1mm. Dùng chổi lông mịn phủi sạch bụi rồi dán miếng keo trong (nhãn hiệu Scotch do công ty 3M – USA sản xuất) lên vùng diện tích 100 ô vừa cắt. Dùng cục tẩy chà lên miếng keo để bảo đảm miếng keo đã bám dính hoàn toàn trên bề mặt và không tạo những “lỗ khí”. Kiểm tra lại dưới ánh đèn. Để yên 90 giây rồi gỡ miếng keo ra. Đếm số ô vuông bị tróc sơn, số ô vuông còn lại chính là phần trăm bám dính của màng sơn. Chẳng hạn nếu có 1 ô vuông bị tróc sơn thì độ bám dính của màng sơn là 99%.
Lặp lại 5 lần, lấy giá trị trung bình.
2.8.5 Xác định khả năng bảo vệ của lớp phủ khi có màng sơn
Mẫu nhôm sau khi phosphat hóa được phủ một lớp sơn alkyd, để ổn định trong 7 ngày. Rạch 2 đường chéo trên bề mặt mẫu, mặt còn lại kẻ 100 ô có kích thước 1x1mm bằng máy cắt Cross hatch cutter 295. Ngâm mẫu trong dung dịch NaCl 3%. Mỗi ngày quan sát quá trình phồng rộp của màng sơn.
m lp = S m1 – m2 (g/m2) m Al = S m0 – m2 (g/m2)
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ - BIỆN LUẬN 3.1 Dạng bề mặt và hình thái tinh thể của lớp phủ
Quan sát bề mặt các mẫu sau khi phosphat hóa cho thấy các mẫu Zn và các mẫu được phủ bằng dung dịch có thêm ion Mn2+ đều được phủ một lớp mỏng màu xám. Bề mặt càng sậm màu hơn khi tăng hàm lượng ion Mn2+ trong dung dịch phosphat hóa.
Đối với các mẫu được phủ bằng dung dịch có thêm ion Ni2+ thì bề mặt có màu sáng trắng.
Quan sát ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) với độ phóng đại 1000 lần và 10.000 lần cho thấy dạng bề mặt và hình thái tinh thể của lớp phủ. Các ảnh chụp được trình bày trong phụ lục B.
Kết quả quan sát được trình bày trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Dạng bề mặt và hình thái tinh thể của lớp phủ
Kí hiệu mẫu Dạng bề mặt quan sát được
Zn-1 Tinh thể hình khối, bề mặt che phủ khoảng 60% (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Zn-2 Tinh thể có hình khối, che phủ khá đều, gần như hoàn toàn bề mặt Zn-3 Tinh thể hình khối, xếp chồng lên nhau, diện tích che phủ khoảng 70%
M15-1 Tinh thể hình khối, kích thước khoảng 3µm, diện tích phủ khoảng 60%
M15-2 Hình dạng tinh thể không “sắc nét”, che phủ đều, hoàn toàn bề mặt
M15-3 Tinh thể hình khối, sắc nét, kích thước khoảng 2.5µm xen lẫn các tinh thể nhỏ hơn, diện tích phủ khoảng 90%
M30-1 Tinh thể nhỏ, kích thước khoảng 0.5 µm, diện tích phủ 90%
M30-2 Tinh thể hình khối, kích thước khoảng 3.5µm, xen lẫn các hạt lớn hơn, diện tích phủ khoảng 60%
M30-3 Tinh thể hình khối, sắc nét, xếp chồng lên nhau, che phủ khá đều, 95% bề mặt
M45-1 Các hạt tinh thể nhỏ 0.5 µm xen lẫn các hạt lớn, phủ khoảng 95% bề mặt
M45-2 Tinh thể hình khối, sắc nét, khoảng 0.5 µm, che phủ hoàn toàn bề mặt M45-3 Tinh thể hình khối, diện tích phủ khoảng 90%
N15-1 Tinh thể dài, nhỏ, ít hạt, bề mặt phủ không đều N15-2 Tinh thể dài, nhỏ, ít hạt, bề mặt phủ không đều N15-3 Tinh thể dài, nhỏ, ít hạt, bề mặt phủ không đều N30-1 Tinh thể dài, nhỏ, ít hạt, bề mặt phủ không đều N30-2 Tinh thể dài, nhỏ, ít hạt, bề mặt phủ không đều N30-3 Tinh thể dài, nhỏ, ít hạt, bề mặt phủ không đều N45-1 Tinh thể hình phiến, phủ khoảng 50%
N45-2 Tinh thể hình phiến, phủ khoảng 90%
N45-3 Tinh thể dài, nhỏ, ít hạt, bề mặt phủ không đều
Nhận xét:
v Các mẫu phủ bởi dung dịch chỉ chứa Zn2+
Mẫu nhôm được phosphat hóa trong thời gian 2 phút tạo được lớp phủ đều, che phủ hoàn toàn bề mặt. Tinh thể đều có dạng hình khối, thời gian càng tăng thì kích thước tinh thể càng lớn.
v Các mẫu phủ bởi dung dịch chứa Zn2+ và Mn2+
Diện tích phủ tăng khi thêm ion Mn2+ vào dung dịch phosphat hóa. Nhìn chung, các mẫu thực hiện trong 2 phút được phủ hoàn toàn bề mặt. Nếu phosphat hóa trong cùng một thời gian, diện tích phủ tăng lên khi tăng hàm lượng ion Mn2+ trong dung dịch. Điều này có thể giải thích rằng khi tăng hàm lượng ion Mn2+ thì số lượng tâm kết tinh tăng tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành các tinh thể phosphat.
Lớp phủ đều, diện tích phủ lớn và kích thước tinh thể nhỏ khi phủ trong 2 phút với hàm lượng Mn2+ trong dung dịch khoảng 45% so với nồng độ Zn2+ (khoảng 1700ppm).
v Các mẫu phủ bởi dung dịch chứa Zn2+ và Ni2+
Tinh thể có dạng hình phiến, dài, kích thước nhỏ hơn so với các mẫu trên. Hầu hết các mẫu chỉ che phủ được một phần bề mặt. Điều này phù hợp với việc các mẫu này có bề mặt sáng trắng, và đó là màu sắc của nhôm nền.
Khi hàm lượng Ni2+ trong dung dịch khoảng 45% so với nồng độ Zn2+ (khoảng 1800ppm), thực hiện phosphat hóa trong 2 phút thì tạo được lớp phủ đều, diện tích phủ tăng đáng kể so với các trường hợp còn lại.
3.2 Thành phần pha và thành phần hóa học của lớp phủ
Kết quả nhiễu xạ tia X được biểu diễn trong phụ lục C.
Tất cả các phổ đều cho mũi tín hiệu có cường độ cao của nền nhôm trong khi các tín hiệu khác rất thấp, gần như trùng với đường nền. Điều này có thể do lớp màng phosphat khá mỏng, thời gian chạy phổ ngắn. Chính vì vậy không thể xác định thành phần pha của các lớp phủ dựa vào các kết quả nhiễu xạ tia X nói trên.
Thành phần hóa học của lớp phủ được xác định bằng phương pháp đo phổ hấp thu nguyên tử của dung dịch tẩy màng. Kết quả được trình bày trong bảng 3.2 và 3.3
Bảng 3.2. Hàm lượng Zn và Mn trong dung dịch tẩy màng (phụ lục D) Kí hiệu mẫu Hàm lượng Zn (ppm) Hàm lượng Mn (ppm) Tỉ lệ mol Mn/Zn
M15-2 14.7 <0.05 0
M45-2 55.8 1.9 0.040
Bảng 3.3. Hàm lượng Zn và Ni trong dung dịch tẩy màng
Kí hiệu mẫu Hàm lượng Zn (ppm) Hàm lượng Ni (ppm) Tỉ lệ mol Ni/Zn (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
N15-3 5.3 0.7 0.146
Nhận xét: Kết quả phân tích thành phần dung dịch sau khi tẩy màng cho thấy khi phosphat hóa bằng các dung dịch có thêm ion Mn2+ hoặc Ni2+ thì các ion này có tham gia vào thành phần lớp phủ phosphat. Hàm lượng Mn2+ hoặc Ni2+ trong dung dịch tăng thì lượng các ion này tham gia vào lớp phủ tăng. Tuy nhiên tỉ lệ mangan tham gia vào lớp phủ so với Zn2+ còn ít.
3.3 Khối lượng lớp phủ và khối lượng nhôm tan trong quá trình phosphat hóa
Khối lượng lớp phủ và khối lượng nhôm nền tan trong quá trình phosphat hóa được trình bày trong các bảng 3.4, bảng 3.5 và bảng 3.6.
Bảng 3.4. Khối lượng lớp phủ và khối lượng nhôm nền tan của các mẫu Zn Kí hiệu mẫu Khối lượng lớp phủ (g/m2) Khối lượng nhôm tan (g/m2)
Zn-1 1.63 0.87
Zn-2 2.16 1.00
Zn-3 2.57 1.40
Bảng 3.5. Khối lượng lớp phủ và khối lượng nhôm nền tan của các mẫu phosphat hóa bằng dung dịch có ion Mn2+
Kí hiệu mẫu Khối lượng lớp phủ (g/m2) Khối lượng nhôm tan (g/m2)
M15-1 2.13 0.90 M15-2 2.93 0.40 M15-3 3.14 0.57 M30-1 1.28 0.86 M30-2 1.06 1.03 M30-3 2.43 1.06 M45-1 1.91 0.40 M45-2 3.70 2.23 M45-3 3.73 2.50
Bảng 3.6. Khối lượng lớp phủ và khối lượng nhôm nền tan của các mẫu phosphat hóa bằng dung dịch có ion Ni2+
Kí hiệu mẫu Khối lượng lớp phủ (g/m2) Khối lượng nhôm tan (g/m2)
N15-1 0.72 1.76 N15-2 1.23 1.36 N15-3 2.25 1.57 N30-1 1.30 1.30 N30-2 1.70 1.96 N30-3 1.72 2.36 N45-1 0.95 1.47 N45-2 1.96 2.73 N45-3 2.5 3.56 Nhận xét:
vHầu hết các lớp phủ đều có khối lượng nằm trong giá trị cho phép từ 1-3g/m2, là giá trị thích hợp cho lớp phủ làm nền cho sơn.
vKhi sử dụng dung dịch có thêm Ni2+, ở một số điều kiện lớp phủ hình thành còn mỏng, khối lượng nhỏ hơn 1g/m2. Điều này cũng phù hợp với bề mặt mẫu quan sát được trên ảnh chụp SEM.
vNhìn chung khi sử dụng cùng một dung dịch phosphat hóa, khi thời gian phosphat hóa tăng thì khối lượng lớp phủ tăng và khối lượng nhôm nền tan cũng tăng.
3.4 Độ bám dính của màng sơn
Kết quả đo độ bám dính màng sơn trình bày trong bảng 3.7 (xem phụ lục E) Bảng 3.7. Kết quả đo độ bám dính màng sơn theo tiêu chuẩn ASTM D3359
Kí hiệu mẫu Độ bám dính (%) Trắng (T) 0 Zn-1 94 Zn-2 100 Zn-3 94 M15-1 100 M15-2 100 M15-3 100 M30-1 100 M30-2 100 M30-3 100 M45-1 100 M45-2 100 M45-3 100 N15-1 100 N15-2 100 N15-3 98 N30-1 100 N30-2 100 N30-3 99 N45-1 100 N45-2 100 N45-3 100
Nhận xét:
Theo tiêu chuẩn ASTM D3359 độ bám dính màng sơn từ 99% là đạt yêu cầu. Kết quả cho thấy hầu hết các mẫu sau khi phosphat hóa đều có độ bám dính tốt, tăng lên đáng kể so với mẫu trắng.
Kết quả đo độ bám dính cho phép chúng tôi đi đến khẳng định việc tạo lớp phủ phosphat trên bề mặt nhôm để làm nền cho sơn là một điều cần thiết.
3.5 Khả năng bảo vệ của lớp phủ khi có màng sơn
Quan sát quá trình ngâm nước muối theo thời gian, bề mặt màng sơn của các mẫu được mô tả trong bảng 3.8.
Bảng 3.8. Bề mặt mẫu sơn quan sát được sau 25 ngày ngâm mẫu trong dung dịch nước muối 3% (xem phụ lục F)
Kí hiệu mẫu Bề mặt mẫu sau 25 ngày
Trắng (T) Màng sơn bị phồng rộp hoàn toàn
Zn-1 Có nhiều điểm rộp nhỏ ở 2 bên đường rạch và ở phần rìa
Zn-2 Màng sơn rộp ít, có vài điểm rộp nhỏ ở vị trí đường rạch, ít hơn so với mẫu Zn-1 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Zn-3 Màng sơn rộp ít, có vài điểm rộp nhỏ ở vị trí đường rạch và ở phần rìa
M15-1 Hầu như chưa rộp, có khoảng 4 điểm rộp ở bề mặt và một số điểm nhỏ ở phần rìa
M15-2 Hầu như chưa rộp, có khoảng 4 điểm rộp ở bề mặt và một số điểm rộp li ti ở 2 bên đường rạch
M15-3 Nhiều điểm rộp “ li ti” ở rìa, một số điểm ở 2 bên đường rạch
M30-1 Màng sơn rộp ít, có khoảng 6 điểm rộp trên bề mặt và nhiều điểm nhỏ ở phần rìa
M30-2 Màng sơn chưa rộp, chỉ có 1 điểm rộp ở bề mặt
M45-1 Xuất hiện nhiều “nốt” rộp lớn, nhỏ xen kẽ ở bề mặt
M45-2 Màng sơn rộp ít, có khoảng 3 “nốt” rộp ở bề mặt và một số “nốt” ở phần rìa
M45-3 Màng sơn rộp ít, một số “nốt” rộp nhỏ 2 bên đường rạch
N15-1 Màng sơn rộp ít, có 3 “nốt” rộp ở bề mặt và vài “nốt” rộp ở phần rìa N15-2 Màng sơn rộp nhiều, có nhiều “nốt” rộp lớn
N15-3 Màng sơn phồng rộp khá nhiều, có một số “nốt” rộp lớn trên bề mặt, nhiều nốt rộp sát nhau ở phần rìa
N30-1 Màng sơn phồng rộp khá nhiều, có một số “nốt” rộp lớn trên bề mặt, nhiều nốt rộp sát nhau ở phần rìa
N30-2 Màng sơn rộp nhiều, khoảng 25% diện tích, có nhiều “nốt” rộp lớn N30-3 Màng sơn rộp nhiều, có nhiều “nốt” rộp lớn, khoảng 50% diện tích
N45-1 Màng rộp khá nhiều, có nhiều “nốt” rộp lớn ở 2 bên đường rạch và một số diện tích bề mặt
N45-2 Màng rộp khá nhiều, có nhiều “nốt” rộp lớn ở 2 bên đường rạch và một số diện tích bề mặt
N45-3 Màng rộp khá nhiều, có nhiều “nốt” rộp lớn ở 2 bên đường rạch và một số diện tích bề mặt
Nhận xét:
vMẫu trắng bắt đầu phồng rộp sau 2 ngày và phồng rộp hoàn toàn sau 7 ngày. vCác mẫu phủ bởi dung dịch chỉ chứa Zn2+ hoặc dung dịch có thêm ion Mn2+
Bề mặt các mẫu tạo bởi dung dịch Zn2+ và dung dịch có thêm ion Mn2+ xuất hiện khá ít các “nốt” rộp và các “nốt” rộp này có kích thước khá nhỏ. Có một số mẫu hầu như màng sơn chưa rộp đáng kể. Như vậy so với mẫu trắng, các mẫu này được phủ một lớp phosphat có khả năng bảo vệ tốt. Cùng với kết quả đo độ bám
dính màng sơn nêu trên, một lần nữa khẳng định việc tạo lớp phủ phosphat trên bề mặt nhôm để làm nền cho sơn là điều cần thiết.
vCác mẫu phủ tạo bởi dung dịch chứa Zn2+ và ion Ni2+
Đa số các mẫu chứa ion biến tính Ni2+ có tính năng bảo vệ kém, màng sơn bị phồng rộp nhanh hơn và nhiều hơn các mẫu còn lại. Đặc biệt trên bề mặt mẫu xuất hiện các “nốt” rộp với kích thước khá lớn. Điều này phù hợp với kết quả ảnh chụp SEM và kết quả khối lượng màng.
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN
Từ các kết quả thực nghiệm chúng tôi đi đến những kết luận sau:
vĐã khảo sát được điều kiện thích hợp cho việc tạo lớp phủ phosphat làm nền cho sơn trên bề mặt nhôm kim loại.
v Khối lượng lớp phủ nằm trong khoảng 1-3 g/m2, là giá trị khối lượng thích hợp cho lớp phủ phosphat làm nền cho sơn. Ảnh chụp SEM cho thấy bề mặt một số mẫu sau khi phủ khá “gồ ghề”, tạo điều kiện thuận lợi cho sự bám dính của màng sơn.
vĐối với dung dịch phosphat chỉ chứa Zn2+, nhận thấy khi phosphat hóa trong thời