Luận án nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất màng zirconi oxit cho sơn phủ trên thép

Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất màng zirconi oxit kết hợp silan tiền xử lý cho sơn phủ trên thép, nâng cao hiệu suất bảo vệ.

• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Khoa Học Vật Liệu
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Màng Zirconi Oxit Cho Sơn Phủ Thép
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BỀ MẶT THÉP CHO SƠN PHỦ
• 1.1. Các phương pháp truyền thống xử lý bề mặt thép cho sơn phủ
• 1.2. Phương pháp cơ học
• 1.2.1. Các tiêu chuẩn phổ biến
• 1.2.2. Phương pháp xử lý bề mặt cơ học thủ công
• 1.2.3. Phương pháp xử lý bề mặt bằng thiết bị, máy móc
• 1.2.3.1. Sử dụng các công cụ cơ khí
• 1.2.3.2. Xử lý bề mặt bằng dòng hạt mài
• 1.2.3.3. Xử lý bề mặt bằng phun ướt
• 1.2.3.4. Xử lý bề mặt bằng phun khô
• 1.2.3.5. Xử lý bề mặt bằng nước áp lực cao
• 1.3. Phương pháp hóa học
• 1.3.1. Phương pháp phốt phát hóa
• 1.3.1.1. Lịch sử phát triển của phương pháp phốt phát hóa
• 1.3.1.2. Cơ chế hình thành lớp phủ phốt phát
• 1.3.1.3. Đặc trưng tính chất lớp phủ phốt phát
• 1.3.1.4. Quy trình chung phốt phát hóa
• 1.3.2. Phương pháp cromat hóa
• 1.3.2.1. Lịch sử phát triển của phương pháp cromat hóa
• 1.3.2.2. Cơ chế hình thành lớp phủ cromat
• 1.3.2.3. Quy trình chung cromat hóa
• 1.4. Phương pháp xử lý bề mặt thép bằng zirconia
• 1.4.1. Cơ chế hình thành lớp màng zirconia trên bề mặt thép

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu chế tạo màng zirconi oxit cho sơn phủ thép là một lĩnh vực quan trọng trong khoa học vật liệu. Ăn mòn kim loại gây ra thiệt hại lớn về kinh tế và ảnh hưởng đến an toàn của các công trình. Việc phát triển các phương pháp bảo vệ kim loại, đặc biệt là sơn phủ, là cần thiết. Phương pháp sơn phủ được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân sinh để bảo vệ thép khỏi ăn mòn. Tuy nhiên, các phương pháp tiền xử lý bề mặt như phốt phát hóa và cromat hóa có nhiều nhược điểm, bao gồm tác động tiêu cực đến môi trường. Do đó, việc tìm kiếm các phương pháp thay thế như màng zirconi oxit đang được quan tâm. Zirconi oxit có nhiều ưu điểm như tính chất nano, thân thiện với môi trường và tiết kiệm chi phí. Tuy nhiên, việc sử dụng nước rửa khử ion là một thách thức lớn trong quá trình này.

II. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu này là chế tạo lớp màng zirconi oxit kết hợp với silan trên bề mặt thép để thay thế các phương pháp phốt phát hóa và cromat hóa. Nghiên cứu sẽ tập trung vào việc xác định cơ chế hình thành màng, đánh giá đặc trưng về hình thái, thành phần, điện hóa và liên kết của lớp màng kép. Cụ thể, nghiên cứu sẽ chế tạo lớp màng đơn zirconi oxit và lựa chọn điều kiện tối ưu cho quá trình tạo màng. Đồng thời, việc nghiên cứu vai trò của lớp màng kép zirconi oxit/silan trong việc cải thiện độ bám dính và khả năng bảo vệ chống ăn mòn của hệ sơn tĩnh điện cũng sẽ được thực hiện. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp cơ sở cho việc phát triển công nghệ chế tạo màng xử lý bề mặt thép thân thiện với môi trường tại Việt Nam.

III. Quy trình chế tạo màng

Quy trình chế tạo màng zirconi oxit bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, cần xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo màng như nhiệt độ, pH, nồng độ dung dịch và thời gian nhúng. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, khi tăng nhiệt độ dung dịch, độ bền và các tính chất của lớp màng zirconi oxit sẽ giảm. Đặc biệt, pH và nồng độ dung dịch có mối quan hệ tương quan trực tiếp với nhau, ảnh hưởng đến hiệu quả tiền xử lý. Việc sử dụng dung dịch axit hexaflorozirconic với nồng độ thấp và pH từ 3 đến 4 sẽ tạo ra lớp màng có hiệu quả tốt hơn. Các phương pháp như sol-gel và nhúng hóa học cũng được áp dụng để tạo ra lớp màng kép zirconi oxit/silan. Kết quả cho thấy, lớp màng kết hợp có độ bền cao hơn và khả năng bảo vệ tốt hơn so với lớp màng đơn.

IV. Đánh giá tính chất màng

Đánh giá tính chất của lớp màng zirconi oxit và lớp màng kép zirconi oxit/silan là rất quan trọng. Các đặc trưng về hình thái, thành phần và điện hóa của lớp màng sẽ được phân tích thông qua các phương pháp như quang phổ, kính hiển vi điện tử và đo điện hóa. Kết quả cho thấy, lớp màng kép có cấu trúc đồng nhất, ít rỗ xốp và khả năng liên kết tốt với bề mặt thép. Điều này giúp cải thiện độ bám dính và khả năng bảo vệ chống ăn mòn. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, lớp màng kép có thể thay thế hiệu quả cho các phương pháp truyền thống như phốt phát hóa và cromat hóa, đồng thời giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

V. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Luận án này không chỉ đóng góp vào lĩnh vực nghiên cứu chế tạo màng zirconi oxit mà còn mở ra hướng đi mới cho công nghệ xử lý bề mặt thép. Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, đặc biệt là trong sản xuất và bảo trì các sản phẩm thép. Việc phát triển công nghệ chế tạo màng xử lý bề mặt thân thiện với môi trường sẽ góp phần giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ sức khỏe con người. Hơn nữa, nghiên cứu này cũng tạo cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo về ứng dụng của màng zirconi oxit trong các lĩnh vực khác nhau, từ xây dựng đến sản xuất thiết bị công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề trên, với mong muốn tạo ra lớp màng tiền xử lý bề mặt thép có hiệu quả tương đương phốt phát hóa và cromat hóa, đề tài của luận án lựa chọn là: “Nghiên cứu chế tạo và khảo sát đặc trưng tính chất màng zirconi oxit kết hợp với silan tiền xử lý cho sơn phủ trên thép”. 3 Mục tiêu của luận án - Chế tạo lớp màng kép zirconia/silan trên bề mặt thép tiền xử lý cho sơn phủ thay thế phốt phát hóa và cromat hóa; - Đề xuất cơ chế quá trình hình thành màng và đánh giá đặc trưng về hình thái, thành phần, điện hóa và liên kết của lớp màng kép zirconia/silan trên nền thép. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo màng đơn zirconia trên thép và lựa chọn điều kiện ban đầu về pH của dung dịch và thời gian tạo màng làm cơ sở cho việc chế tạo lớp màng kép zirconia/silan; - Nghiên cứu chế tạo màng kép zirconia/silan trên nền thép; luận giải cơ chế quá trình hình thành và mô tả đặc trưng về hình thái, thành phần, điện hóa và liên kết của lớp màng kép; - Nghiên cứu vai trò của màng kép zirconia/silan tiền xử lý cho sơn tĩnh điện. Mục tiêu cụ thể của luận án - Chế tạo được lớp đơn zirconi oxit và lớp màng kép zirconi oxit/silan trên bề mặt thép bằng phương pháp hóa học (nhúng trong dung dịch).

- Luận giải cơ chế hình thành lớp màng kép ZrO2/silan và mô tả đặc trưng về hình thái, thành phần, điện hóa và liên kết của chúng trên nền thép. - Xác định được một số yếu tố cơ bản ảnh hưởng chính đến quá trình tạo màng; lựa chọn được điều kiện tạo màng thích hợp. - Tạo ra lớp màng zirconi oxit/silan có độ bền ăn mòn cao, cải thiện độ bám dính và tăng khả năng bảo vệ chống ăn mòn của hệ sơn tĩnh điện tương đương phốt pháp kẽm. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Về mặt khoa học, luận án đã đóng góp những điểm mới vào hướng nghiên cứu chế tạo lớp màng xử lý bề mặt thép cho sơn phủ thay thế phốt phát và cromat hóa.

Về mặt thực tiễn, kết quả của luận án làm cơ sở cho việc phát tiển công nghệ chế tạo màng xử lý bề mặt thép cho sơn phủ thân thiện môi trường tại Việt Nam. Các phương pháp truyền thống xử lý bề mặt thép cho sơn phủ 1. Phương pháp cơ học Đây là phương pháp sử dụng các dụng cụ, vật liệu cơ khí, thiết bị hoặc máy móc tác động lên bề mặt vật liệu để làm bong tróc, mài mòn các tạp chất và sản phẩm ăn mòn. Có rất nhiều phương pháp để xử lý bề mặt bằng phương pháp cơ học tương ứng với các tiêu chuẩn, yêu cầu khác nhau.

Một số tiêu chuẩn xử lý cơ học bề mặt  Các tiêu chuẩn phổ biến Xử lý bề mặt bằng bất kỳ phương pháp cơ học nào đều phải đạt đến mức chất lượng nhất định theo từng yêu cầu khác nhau của tiêu chuẩn. Một số tiêu chuẩn áp dụng phổ biến có thể được kể đến là: ISO 8501, ASTM D 2200 và SSPC VIS. 1&2 (Mỹ), SIS 05 5900 (Thụy sĩ), BS 4232 (Anh), JSRA SPSS, (Nhật)…Theo đó, chất lượng xử lý bề mặt được mô tả thành các mức độ cụ thể như bảng 1. Chất lượng xử lý bề mặt theo một số chuẩn phổ biến.

Tiêu chuẩn ISO 8501 Tiêu chuẩn Mô tả phương pháp và SIS 05 5900 Mỹ SSPC-SP Phương pháp bằng tay St 2 SSPC – SP 2 Phương pháp bằng máy St 3 SSPC – SP 3 Phương pháp phun áp lực Sa 1 SSPC – SP 7 Xử lý bề mặt thương mại Sa 2 SSPC – SP 6 Xử lý bề mặt rất sâu – Near white metal Sa 2 ½ SSPC – SP 10 Xử lý bề mặt tới nền – white metal Sa 3 SSPC – SP 5 - Cấp độ St 2: Ở cấp độ này, khi nhìn vào bề mặt mà không có các thiết bị phóng đại thì không thấy bẩn, dầu, mỡ. Bề mặt đã được làm sạch các sản phẩm ăn mòn, gỉ, lớp sơn cũ và các tạp chất bám nhẹ. - Cấp độ St 3: Tương tự như cấp độ St 2 đồng thời bề mặt hoàn toàn sạch, khi nhìn vào bề mặt thấy có ánh kim loại nền. 5 - Cấp độ Sa 1 (Làm sạch sơ bộ): Ở cấp độ này, khi nhìn mà không có các thiết bị phóng đại thì không thấy bẩn, dầu, mỡ.

Bề mặt hầu hết đã được làm sạch các sản phẩm ăn mòn, gỉ, lớp sơn bong tróc, phồng rộp và các tạp chất bám nhẹ. - Cấp độ Sa 2 (Làm sạch sâu): Ở cấp độ này, khi nhìn mà không có các thiết bị phóng đại thì không thấy bẩn, dầu, mỡ. Hầu hết bề mặt đã được làm sạch toàn bộ các sản phẩm ăn mòn, gỉ, lớp sơn cũ và các tạp chất khác. Bề mặt hoàn toàn sạch.5 (Làm sạch rất sâu – Near white metal): Ở cấp độ này, khi nhìn mà không có các thiết bị phóng đại thì không thấy bẩn, dầu, mỡ.

Toàn bộ bề mặt đã được làm sạch các sản phẩm ăn mòn, gỉ, lớp sơn cũ và các tạp chất khác. Bề mặt xuất hiện ánh kim loại nền - Cấp độ Sa 3 (Làm sạch tới nền – white metal): Ở cấp độ này, khi nhìn mà không có các thiết bị phóng đại thì không thấy bẩn, dầu, mỡ. Bề mặt đã được làm sạch toàn bộ các sản phẩm ăn mòn, gỉ, lớp sơn cũ và các tạp chất khác. Bề mặt đạt tới kim loại nền.

Phương pháp xử lý bề mặt cơ học thủ công Phương pháp này được áp dụng trong các trường hợp xử lý thô, ban đầu. Mục đích là loại bỏ các loại vảy bám dính yếu, mảng gỉ sét và lớp sơn cũ đã bị phồng rộp, bong tróc bằng các công cụ như bàn chải sắt, búa gõ, nạo sắt, giấy nhám,. Bề mặt sau khi xử lý sẽ đạt chuẩn St 2, St 3 phụ thuộc vào dụng cụ sử dụng. Ưu điểm chủ yếu của phương pháp này là có thể rất hữu ích với các vị trí nhỏ, khe, kẽ, chi tiết phức tạp và khi phương pháp làm sạch bằng máy không thể thực hiện được.

Tuy nhiên đây không phải là phương pháp hoàn toàn (triệt để) và hiệu suất không cao. Sau khi làm sạch thủ công, cần dùng khí áp lực cao để thổi sạch bề mặt trước khi sơn hoặc áp dụng công đoạn xử lý bề mặt tiếp theo. Các bước cuối cùng của phương pháp này thường sử dụng giấy nhám và độ nhám bề mặt đạt được tùy thuộc vào cấp giấy nhám sử dụng. Phương pháp xử lý bề mặt bằng thiết bị, máy móc Phương pháp này sử dụng các thiết bị, máy móc với các kỹ thuật khác nhau để mài mòn bề mặt cần xử lý.

Các trường hợp cụ thể của phương pháp này có thể trình bày như sau. 6  Sử dụng các công cụ cơ khí Các ví dụ về xử lý bề mặt bằng công cụ cơ khí như: bàn chải sắt quay, đĩa cát (sanding disc), máy mài cầm tay, máy mài bằng,. Xử lý bề mặt bằng dụng cụ cơ khí nói chung hiệu quả hơn và ít tốn công hơn xử lý thủ công, đặc biệt khi làm sạch các bề mặt phẳng, lớn, các mảng bám chắc, vết sơn cũ và gỉ sét. Tuy nhiên làm sạch bằng công cụ cơ khí sẽ khó làm sạch được các vết ăn mòn lỗ, rãnh sâu trên bề mặt.

Xử lý bề mặt bằng dụng cụ cơ khí phải cẩn thận để không làm bề mặt quá bóng ảnh hưởng đến độ bám dính màng sơn trong trường hợp đây là công đoạn cuối. Phương pháp sử lý bề mặt này thường đạt đến chất lượng chuẩn St 3.  Xử lý bề mặt bằng dòng hạt mài Đây là phương pháp làm sạch bề mặt triệt để và hiệu suất nhất thường áp dụng trong công nghiệp đóng tàu, gia công và sửa chữa cơ khí lớn. Kích thước hạt mài (cát, sỏi) khoảng từ 0,3 đến 1,5 mm là kích thước được kiểm nghiệm hiệu quả nhất đạt được các tiêu chuẩn chuẩn bị bề mặt theo quy định, đặc biệt có hiệu quả khi làm sạch bề mặt bị lõm sâu.

Tốc độ làm sạch, độ nhám bề mặt bị ảnh hưởng bởi kích thước và khoảng cách của vòi phun, thành phần, độ bền, kích thước và hình dáng của dòng hạt mài áp suất và tốc độ của khí. Việc sử dụng hạt sỏi trong quá trình chuẩn bị bề mặt thường sử dụng nhiều hơn và hiệu quả hơn dùng bằng cát. Phương pháp làm sạch này đặc biệt hiệu quả về độ sạch, tạo độ nhám bề mặt và tiết kiệm thời gian thi công. Khi thực hiện phương pháp này thì phải lưu ý khí nén sử dụng phải sạch khô, được tách dầu và nước để tránh tình trạng dầu và nước của khí nén lưu trên bề mặt.

Sau khi xử lý dùng khí khô thổi sạch các tạp chất khi phun cát còn đọng trong các hốc và trên bề mặt. Do ứng dụng phổ biến trong công nghiệp tàu thủy, nên mỗi khi tàu đóng mới hoặc lên Dock, phương pháp này thường được áp dụng như là kỹ thuật xử lý bề mặt cuối cùng trước khi sơn. Xử lý bề mặt bằng phun ướt: Làm sạch bằng hỗn hợp nước và cát hoặc sỏi dưới áp suất cao để xử lý các mảng gỉ lớn. Sau khi làm sạch do bề mặt thép bị ướt nên phải được làm khô trước khi quét sơn.

Phương pháp này có ưu điểm là ít gây ô nhiễm môi trường vì ít có bụi. 7 Xử lý bề mặt bằng phun khô: Đây là phương pháp được dùng phổ biến, chất lượng bề mặt được chuẩn bị rất cao. Các vết gỉ, chất bẩn bị loại bỏ hoàn toàn đồng thời bề mặt được tạo nhám tốt, độ bám dính của lớp sơn được cải thiện rõ rệt. Nhược điểm của phương pháp này rất bụi nên gây ô nhiễm môi trường.

 Xử lý bề mặt bằng nước áp lực cao Hiện nay, trên thế giới nhiều nước đã nghiên cứu và áp dụng thành công phương pháp làm sạch bề mặt kim loại bằng phương pháp phun nước áp lực cao (UHP). Làm sạch bằng nước ngọt là cần thiết để loại bỏ muối, các loại bám bẩn, lớp sơn cũ và bất kỳ tạp chất nào khác. Thông thường làm sạch bằng nước ngọt ngay sau khi bề mặt chưa được khô hoàn toàn để dễ làm sạch bám bẩn. Ưu điểm của việc sử dụng nước áp lực cao là: Sẵn có, thân thiện môi trường, ít phá vỡ cấu trúc bề mặt, triệt để.

Tuy nhiên công nghệ này cũng có một số nhược điểm cần khắc phục như: Chi phí đầu tư cao, phản lực có thể gây mất an toàn, vẫn phải xử lý nước thải. Phương pháp hóa học 1.