Tổng quan nghiên cứu
Chống ăn mòn vật liệu kim loại là một vấn đề cấp thiết toàn cầu, đặc biệt với Việt Nam – quốc gia có khí hậu nhiệt đới gió mùa, nhiệt độ và độ ẩm cao, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình ăn mòn diễn ra nhanh chóng. Mạ kẽm điện phân là phương pháp bảo vệ kim loại phổ biến, hiệu quả và kinh tế, được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất linh kiện, phụ tùng máy và kết cấu thép cacbon. Theo ước tính, mỗi năm trên thế giới có hơn 40 triệu tấn thép được mạ kẽm hoặc kẽm hợp kim, sử dụng khoảng 2,2 triệu tấn kẽm để tạo lớp phủ bảo vệ. Tại Việt Nam, nhu cầu phát triển công nghiệp mạ kẽm ngày càng tăng, đặc biệt trong các ngành ô tô, xe máy và cơ khí chế tạo.
Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc xác định ảnh hưởng của một số phụ gia hữu cơ và vô cơ đến quá trình kết tủa kẽm trong bể mạ kẽm kiềm không xyanua, nhằm cải thiện tính chất lớp mạ như độ bóng, khả năng phân bố, hiệu suất dòng điện và tính chống ăn mòn. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi dung dịch mạ kẽm kiềm không xyanua, với các phụ gia polyvinyl ancol, polyamin và natri silicat, áp dụng cho các mẫu thép cacbon thấp tiêu chuẩn SS400. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ năm 2018 đến nay, với các thử nghiệm tại phòng thí nghiệm và dây chuyền mạ công nghiệp quy mô nhỏ và làng nghề.
Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc phát triển hệ phụ gia thân thiện môi trường, thay thế các hệ phụ gia nhập khẩu có giá thành cao và độc hại, đồng thời nâng cao chất lượng lớp mạ kẽm, tăng tuổi thọ sản phẩm và giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong công nghiệp mạ điện.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết áp dụng
Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình điện hóa kết tủa kim loại, trong đó:
- Định luật Faraday: khối lượng kim loại kết tủa tỉ lệ thuận với điện lượng chuyển qua dung dịch điện phân, làm cơ sở tính toán hiệu suất dòng điện và khối lượng mạ.
- Lý thuyết phân cực điện cực: phân cực catôt và anôt ảnh hưởng đến tốc độ và chất lượng mạ, trong đó phân cực catôt cao giúp cải thiện khả năng phân bố và tạo lớp mạ mịn hơn.
- Cơ chế san bằng bề mặt: phụ gia hữu cơ hấp phụ ưu tiên trên các điểm lồi của bề mặt điện cực, ức chế kết tủa tại đó, từ đó tạo hiệu ứng san bằng bề mặt, giúp lớp mạ đồng đều và bóng hơn.
- Cơ chế tạo bóng lớp mạ: liên quan đến sự hấp phụ của các hợp chất hữu cơ trên bề mặt điện cực, làm thay đổi kích thước hạt và cấu trúc tinh thể của lớp mạ.
Các khái niệm chính bao gồm: hiệu suất dòng điện catôt, mật độ dòng làm việc, phân cực catôt, khả năng phân bố lớp mạ, và tính chất hình thái học của lớp mạ (độ bóng, độ mịn, độ dẻo).
Phương pháp nghiên cứu
Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm mạ điện trong phòng thí nghiệm sử dụng dung dịch mạ kẽm kiềm không xyanua cơ bản (NaOH 140 g/L, ZnO 15 g/L) và các dung dịch bổ sung phụ gia polyvinyl ancol (PVA), polyamin (BT) và natri silicat với nhiều nồng độ khác nhau. Mẫu thí nghiệm là thép cacbon thấp SS400, kích thước đa dạng phục vụ các mục đích phân tích khác nhau.
Phương pháp phân tích bao gồm:
- Phương pháp Hull: đánh giá khả năng phân bố dòng điện và chất lượng lớp mạ trên một tấm catôt với dải mật độ dòng điện liên tục.
- Phương pháp Haring-Blum: xác định khả năng phân bố dòng điện giữa hai catôt trong bể mạ.
- Đo hiệu suất dòng điện catôt: cân mẫu trước và sau mạ để tính toán hiệu suất dựa trên định luật Faraday.
- Đo đường cong phân cực catôt: sử dụng thiết bị AUTOLAB PGSTAT 30 với hệ ba điện cực để khảo sát ảnh hưởng của phụ gia đến phân cực catôt.
- Phân tích hình thái học bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM): quan sát cấu trúc bề mặt lớp mạ.
- Phân tích cấu trúc hóa học bằng phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) và cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X (XRD).
Timeline nghiên cứu gồm khảo sát khả năng hòa tan phụ gia, đo phân cực catôt, thử nghiệm Hull, phân tích hình thái và so sánh với các hệ phụ gia thương mại, nhằm lựa chọn hệ phụ gia tối ưu cho ứng dụng công nghiệp.
Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Những phát hiện chính
Khả năng hòa tan phụ gia: Polyvinyl ancol (PVA) với khối lượng phân tử 16.000 và 50.000 có khả năng hòa tan tốt trong dung dịch mạ kẽm kiềm ở nồng độ dưới 1 g/L, đảm bảo không tạo tạp chất ảnh hưởng đến chất lượng lớp mạ.
Ảnh hưởng của PVA đến phân cực catôt: Đường cong phân cực catôt cho thấy sự xuất hiện của pic thoát hydro ở khoảng thế -1,35 V, với mật độ dòng thấp. PVA làm tăng phân cực catôt, đặc biệt ở nồng độ 0,1 – 0,5 g/L, giúp cải thiện khả năng phân bố dòng điện và tạo lớp mạ mịn hơn.
Hiệu suất dòng điện và phân bố lớp mạ: Hệ phụ gia kết hợp polyamin bậc 2 (BT12) và natri silicat modun 1 với nồng độ 0,5 g/L và 4 g/L tương ứng, cho hiệu suất dòng điện catôt đạt khoảng 95%, phân bố dòng điện đồng đều trên bề mặt catôt, vượt trội hơn so với dung dịch cơ bản không phụ gia.
Hình thái học lớp mạ: Ảnh SEM cho thấy lớp mạ từ dung dịch có phụ gia có bề mặt mịn, hạt mạ nhỏ và đồng đều hơn so với lớp mạ từ dung dịch không phụ gia, giảm hiện tượng mạ thô, nhánh cây. Đặc biệt, sự kết hợp polyamin và natri silicat làm tăng độ bóng và độ đồng đều của lớp mạ.
Thảo luận kết quả
Nguyên nhân chính của các cải thiện trên là do phụ gia hữu cơ như PVA và polyamin hấp phụ lên bề mặt catôt, ức chế sự kết tủ