Luận văn nghiên cứu về nano oxit kẽm trong lớp phủ nanocompozit

Chuyên khảo phân tích Luận văn hóa vô cơ nano oxit kẽm lớp phủ nanocompozit, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Người hướng dẫn: PGS TS Trịnh Anh Trúc
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ
• Đề tài: Tổng Hợp Nano Oxit Kẽm Sử Dụng Cho Lớp Phủ Nanocompozit ZnO/CNT/Polyuretan Bền Thời Tiết
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. HƢƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Ăn mòn kim loại và các phương pháp bảo vệ chống ăn mòn
• 1.4. Sơn bảo vệ chống ăn mòn
• 1.4.4. Cơ chế hoạt động của lớp sơn phủ bảo vệ chống ăn mòn
• 1.4.5. Sơn bảo vệ chống ăn mòn sử dụng chất ức chế ăn mòn thân thiện với môi trường
• 1.4.6. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.1.1. Nano oxit kẽm
• 1.1.1.1. Cấu trúc của nano ZnO
• 1.1.1.2. Tính chất của nano ZnO
• 2. HƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị
• 2.3. Các phương pháp nghiên cứu đặc tính của vật liệu, màng sơn
• 2.3.1. Phương pháp phổ hồng ngoại
• 2.3.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.3.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.3.4. Phương pháp tổng trở điện hóa
• 2.3.6. Xác định độ bền va đập
• 3. HƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tổng hợp ZnO/CNT và khảo sát các tính chất
• 3.2. Khảo sát khả năng bền tử ngoại của lớp phủ nanocompozit ZnO/CNT/polyuretan
• 3.3. Khả năng chịu tử ngoại của màng sơn
• 3.4. Cấu trúc của màng sơn
• 3.5. Khảo sát các tính chất cơ lý của màng sơn
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu nano oxit kẽm trong lớp phủ nanocompozit

Nghiên cứu về nano oxit kẽm (ZnO) trong lớp phủ nanocompozit đang thu hút sự chú ý lớn từ các nhà khoa học. ZnO không chỉ có tính chất chống ăn mòn mà còn mang lại nhiều lợi ích khác cho vật liệu. Việc ứng dụng ZnO trong lớp phủ nanocompozit giúp cải thiện độ bền và khả năng chống chịu với các yếu tố môi trường. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc kết hợp ZnO với các vật liệu khác như ống nano cacbon (CNT) có thể tạo ra những sản phẩm vượt trội hơn so với các lớp phủ truyền thống.

1.1. Đặc điểm và tính chất của nano oxit kẽm

Nano oxit kẽm có cấu trúc tinh thể lục giác Wurtzite, với nhiều tính chất nổi bật như khả năng hấp thụ tia cực tím và độ bền cơ học cao. ZnO có thể tồn tại dưới nhiều hình thái khác nhau, từ màng mỏng đến sợi nano, tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể.

1.2. Lớp phủ nanocompozit và ứng dụng của chúng

Lớp phủ nanocompozit được tạo ra từ sự kết hợp giữa ZnO và các vật liệu khác như CNT, giúp tăng cường tính chất cơ lý và khả năng chống ăn mòn. Các lớp phủ này đang được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp để bảo vệ các bề mặt kim loại khỏi sự ăn mòn.

II. Vấn đề ăn mòn kim loại và thách thức trong bảo vệ

Ăn mòn kim loại là một vấn đề nghiêm trọng, gây thiệt hại lớn về kinh tế và môi trường. Theo thống kê, thiệt hại do ăn mòn chiếm khoảng 3,1-3,3% tổng thu nhập quốc dân. Việc tìm kiếm các giải pháp bảo vệ hiệu quả và thân thiện với môi trường là một thách thức lớn cho các nhà nghiên cứu.

2.1. Nguyên nhân và cơ chế ăn mòn kim loại

Ăn mòn kim loại xảy ra do nhiều nguyên nhân, bao gồm bản chất kim loại, môi trường xung quanh và các yếu tố hóa học. Cơ chế ăn mòn có thể phân thành ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa, mỗi loại đều có những đặc điểm riêng.

2.2. Tác động của ăn mòn đến kinh tế và môi trường

Thiệt hại do ăn mòn không chỉ ảnh hưởng đến các thiết bị và công trình mà còn gây ra những hậu quả nghiêm trọng cho môi trường. Việc phát triển các lớp phủ bảo vệ hiệu quả là cần thiết để giảm thiểu những tác động này.

III. Phương pháp tổng hợp nano oxit kẽm cho lớp phủ nanocompozit

Phương pháp tổng hợp nano oxit kẽm thường sử dụng phương pháp sol-gel, giúp tạo ra các hạt nano với kích thước đồng đều và tính chất ổn định. Việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp là rất quan trọng để đạt được các tính chất mong muốn cho lớp phủ nanocompozit.

3.1. Quy trình tổng hợp nano ZnO

Quy trình tổng hợp nano ZnO bao gồm các bước như chuẩn bị dung dịch, điều chỉnh pH và quá trình nung. Các yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước và hình thái của hạt nano.

3.2. Đánh giá tính chất của nano oxit kẽm

Sau khi tổng hợp, các tính chất của nano ZnO được đánh giá thông qua các phương pháp như phổ hồng ngoại, kính hiển vi điện tử quét (SEM) và nhiễu xạ tia X (XRD). Những phương pháp này giúp xác định cấu trúc và tính chất của vật liệu.

IV. Ứng dụng thực tiễn của lớp phủ nanocompozit chứa nano oxit kẽm

Lớp phủ nanocompozit chứa nano oxit kẽm đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ bảo vệ kim loại đến sản xuất các thiết bị điện tử. Những ứng dụng này không chỉ giúp cải thiện độ bền mà còn giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

4.1. Ứng dụng trong ngành công nghiệp xây dựng

Trong ngành xây dựng, lớp phủ nanocompozit giúp bảo vệ các bề mặt kim loại khỏi sự ăn mòn, kéo dài tuổi thọ của công trình. Việc sử dụng ZnO trong lớp phủ này mang lại hiệu quả cao và thân thiện với môi trường.

4.2. Ứng dụng trong sản xuất thiết bị điện tử

ZnO được sử dụng trong sản xuất các thiết bị điện tử nhờ vào tính chất dẫn điện và quang học của nó. Các lớp phủ này giúp cải thiện hiệu suất và độ bền của thiết bị.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu nano oxit kẽm

Nghiên cứu về nano oxit kẽm trong lớp phủ nanocompozit mở ra nhiều hướng đi mới trong khoa học vật liệu. Việc phát triển các lớp phủ thân thiện với môi trường và hiệu quả chống ăn mòn là một trong những mục tiêu quan trọng trong tương lai.

5.1. Tương lai của lớp phủ nanocompozit

Với sự phát triển của công nghệ nano, lớp phủ nanocompozit sẽ ngày càng được cải tiến về tính chất và ứng dụng. Nghiên cứu sẽ tiếp tục tìm kiếm các vật liệu mới để nâng cao hiệu quả bảo vệ.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp và đánh giá tính chất của lớp phủ nanocompozit, nhằm phát triển các sản phẩm mới với hiệu suất cao hơn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ăn mòn kim loại là một vấn đề toàn cầu gây thiệt hại kinh tế nghiêm trọng, chiếm khoảng 3,1-3,3% tổng thu nhập quốc dân thế giới, tương đương khoảng 1,8 nghìn tỷ USD mỗi năm. Ở Việt Nam và nhiều quốc gia khác, việc bảo vệ kim loại khỏi ăn mòn đặc biệt quan trọng trong các ngành công nghiệp như vũ trụ, hóa dầu, và công nghiệp hóa học. Lớp phủ hữu cơ bảo vệ chống ăn mòn được sử dụng rộng rãi nhờ ưu điểm về chi phí và khả năng thi công linh hoạt. Tuy nhiên, các chất ức chế ăn mòn truyền thống như hợp chất crômat VI có tính độc hại cao, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe con người, do đó cần thiết phải tìm kiếm các vật liệu thay thế thân thiện hơn.

Trong bối cảnh đó, công nghệ nano đã mở ra hướng đi mới với các vật liệu polyme nanocompozit có tính chất vượt trội. Đặc biệt, nano oxit kẽm (ZnO) và ống nano cacbon (CNT) được quan tâm do khả năng cải thiện tính chất cơ lý, dẫn điện, dẫn nhiệt và khả năng chống ăn mòn của lớp phủ. Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp nano oxit kẽm sử dụng cho lớp phủ nanocompozit ZnO/CNT/polyuretan bền thời tiết, nhằm chế tạo lớp phủ chống ăn mòn cho thép cacbon có khả năng chịu bức xạ tử ngoại, không độc hại và thân thiện với môi trường.

Mục tiêu nghiên cứu gồm: tổng hợp nano ZnO/CNT với các tỷ lệ khác nhau; chế tạo và đánh giá tính chất chịu bức xạ tử ngoại, tính chất cơ lý của lớp phủ polyuretan nanocompozit chứa ZnO/CNT. Nghiên cứu được thực hiện tại Viện Kỹ thuật Nhiệt đới, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam trong giai đoạn 2014-2015. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn thân thiện môi trường, nâng cao tuổi thọ công trình kim loại trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Cơ chế ăn mòn kim loại: Phân loại ăn mòn hóa học và điện hóa, trong đó ăn mòn điện hóa phổ biến hơn, gồm các quá trình anot, catot và dẫn điện. Ăn mòn galvanic là dạng ăn mòn điện hóa điển hình do sự chênh lệch điện thế giữa các kim loại trong hợp kim.

• Lý thuyết lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn: Lớp phủ hữu cơ bảo vệ kim loại thông qua ba cơ chế chính: hiệu ứng che chắn (ngăn cản sự khuếch tán của các tác nhân ăn mòn), tính bám dính (bám dính cơ học, phân cực và hóa học giữa màng sơn và kim loại), và tác dụng ức chế ăn mòn (chất ức chế hấp phụ trên bề mặt kim loại tạo lớp màng thụ động).

• Tính chất và ứng dụng của nano oxit kẽm (ZnO): ZnO có cấu trúc tinh thể lục giác Wurtzite ổn định, có khả năng hấp thụ tia cực tím, tính chất cơ học, điện và quang học ưu việt. ZnO nano được ứng dụng trong lớp phủ chống ăn mòn nhờ khả năng tăng độ bền UV và độ bám dính.

• Tính chất và ứng dụng của ống nano cacbon (CNT): CNT có cấu trúc ống nano đơn hoặc đa lớp, với tính chất cơ lý vượt trội (độ bền kéo 63-100 GPa, mô đun đàn hồi tới 1 TPa), dẫn nhiệt và dẫn điện cao, bền nhiệt và bền tử ngoại. CNT được sử dụng làm chất gia cường trong vật liệu polyme nanocompozit để cải thiện tính chất cơ lý và khả năng chống ăn mòn.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng mẫu thép CT3 phủ lớp sơn polyuretan (PU) chứa các tỷ lệ khác nhau của nano ZnO, CNT và ZnO/CNT tổng hợp trong phòng thí nghiệm.

• Phương pháp tổng hợp: Nano ZnO được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel trong môi trường kiềm và dung môi etanol. CNT được xử lý oxy hóa bằng H2O2 để tạo nhóm chức cacboxyl trên bề mặt, tăng khả năng hấp phụ ZnO. Hỗn hợp ZnO/CNT được tổng hợp với các tỷ lệ 2:1, 1:1, 0,5:1 và 0,25:1.

• Chế tạo màng sơn: Các nano ZnO, CNT, ZnO/CNT được phân tán trong sơn PU loại A160, trộn với chất đóng rắn N75, tạo màng sơn trên mẫu thép bằng phương pháp quay ly tâm với độ dày màng khoảng 30 µm.

• Phương pháp phân tích cấu trúc và tính chất vật liệu:

  • Phổ hồng ngoại (FTIR) để xác định các nhóm chức và liên kết hóa học.
  • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát hình thái và phân bố hạt nano trên bề mặt CNT.
  • Nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể và sự kết tinh của ZnO và ZnO/CNT.
  • Tổng trở điện hóa (EIS) để đánh giá khả năng chống ăn mòn và tính bền tử ngoại của màng sơn.
  • Đo độ bóng, độ bám dính (theo tiêu chuẩn ASTM D-4541) và độ bền va đập (theo tiêu chuẩn ISO D-58675) để đánh giá tính chất cơ lý và độ bền của màng sơn.

• Timeline nghiên cứu: Tổng hợp và phân tích mẫu trong vòng 6 tháng, đánh giá tính chất vật liệu và thử nghiệm bền tử ngoại trong 6 tháng tiếp theo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tổng hợp thành công nano ZnO/CNT:

   • XRD cho thấy ZnO có cấu trúc tinh thể lục giác Wurtzite rõ nét, các pic nhiễu xạ của ZnO/CNT trùng với ZnO và CNT, chứng tỏ ZnO được hấp phụ trên bề mặt CNT.
   • FTIR xác nhận sự hiện diện của nhóm -OH, C=O trên CNT và ZnO, cho thấy CNT được oxy hóa tạo nhóm chức giúp hấp phụ ZnO.
   • SEM cho thấy các hạt nano ZnO kích thước nhỏ, phân tán đồng đều trên bề mặt CNT, tuy có hiện tượng kết tụ nhẹ.

2. Khả năng bền tử ngoại của màng sơn nanocompozit:

   • Trước khi chiếu UV, màng PU chứa ZnO/CNT (tỷ lệ 2:1) có giá trị tổng trở cao nhất, thể hiện khả năng ngăn cách dung dịch điện ly tốt hơn màng PU không chứa phụ gia.
   • Sau 2 chu kỳ chiếu UV, màng PU chứa ZnO duy trì phổ tổng trở dạng nửa cung, chứng tỏ khả năng chịu UV tốt hơn so với màng PU chứa CNT hoặc không chứa phụ gia.
   • Sau 6, 9 và 11 chu kỳ chiếu UV, giá trị tổng trở của các màng sơn đều giảm, nhưng màng PU chứa ZnO và ZnO/CNT (2:1) suy giảm chậm hơn, duy trì tính chất bảo vệ lâu hơn.
   • Giá trị modul tổng trở tại tần số 1 Hz giảm dần theo thời gian chiếu UV, trong đó mẫu PU chứa ZnO có giá trị modul cao nhất và ổn định trong 6 chu kỳ đầu, mẫu ZnO/CNT (2:1) tăng modul trong 4 chu kỳ đầu rồi giảm dần.

3. Tính chất cơ lý của màng sơn:

   • Màng sơn chứa ZnO/CNT có độ bám dính và độ bền va đập cao hơn màng PU không chứa phụ gia, cho thấy sự gia cường hiệu quả của nanocompozit.
   • Độ bóng của màng sơn giảm chậm hơn ở mẫu chứa ZnO/CNT, chứng tỏ khả năng chống lão hóa do tia UV tốt hơn.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc tổng hợp nano ZnO trên bề mặt CNT thành công nhờ xử lý oxy hóa CNT tạo nhóm chức giúp hấp phụ ZnO đều hơn. Sự kết hợp ZnO và CNT trong lớp phủ polyuretan tạo ra hiệu ứng cộng hưởng, cải thiện khả năng chống ăn mòn và bền tử ngoại so với từng thành phần riêng lẻ. ZnO đóng vai trò hấp thụ tia UV, giảm quá trình suy giảm quang hóa của polyme, trong khi CNT gia cường tính cơ lý và dẫn điện, giúp tăng khả năng bảo vệ điện hóa của màng sơn.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với báo cáo của các viện nghiên cứu quốc tế về khả năng tăng độ bền UV và cơ lý của lớp phủ chứa nano ZnO và CNT. Việc sử dụng ZnO/CNT với tỷ lệ 2:1 được xác định là tối ưu cho hiệu quả bảo vệ và tính chất cơ lý. Các biểu đồ tổng trở điện hóa và phổ hồng ngoại minh họa rõ sự khác biệt về khả năng bảo vệ và cấu trúc màng sơn theo thời gian chiếu UV.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc phát triển lớp phủ chống ăn mòn thân thiện môi trường, thay thế các chất ức chế độc hại truyền thống, đồng thời nâng cao tuổi thọ và hiệu quả bảo vệ công trình kim loại trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng lớp phủ nanocompozit ZnO/CNT/polyuretan trong công nghiệp:

   • Đề xuất sử dụng lớp phủ này cho các công trình thép ngoài trời, đặc biệt trong môi trường có bức xạ tử ngoại cao.
   • Thời gian triển khai: 1-2 năm để thử nghiệm thực tế và hoàn thiện quy trình thi công.
   • Chủ thể thực hiện: Các doanh nghiệp sản xuất sơn công nghiệp và các viện nghiên cứu vật liệu.

2. Nâng cao quy trình tổng hợp nano ZnO/CNT:

   • Tối ưu hóa phương pháp oxy hóa CNT và tỷ lệ ZnO/CNT để đạt hiệu quả phân tán và tính chất vật liệu tốt nhất.
   • Thời gian: 6-12 tháng nghiên cứu phát triển.
   • Chủ thể: Các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu nano.

3. Phát triển các loại polyuretan nanocompozit đa chức năng:

   • Kết hợp thêm các chất phụ gia khác như chất chống cháy, kháng khuẩn để mở rộng ứng dụng lớp phủ.
   • Thời gian: 1-2 năm nghiên cứu và thử nghiệm.
   • Chủ thể: Các viện nghiên cứu và công ty hóa chất.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ:

   • Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho cán bộ kỹ thuật và công nhân thi công lớp phủ nanocompozit.
   • Thời gian: 6 tháng đến 1 năm.
   • Chủ thể: Viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa vô cơ, Vật liệu nano:

   • Nắm bắt kiến thức tổng hợp và ứng dụng nano ZnO/CNT trong lớp phủ bảo vệ kim loại.
   • Áp dụng phương pháp tổng hợp và phân tích vật liệu hiện đại.

2. Doanh nghiệp sản xuất sơn và vật liệu bảo vệ kim loại:

   • Tìm hiểu công nghệ mới để phát triển sản phẩm sơn chống ăn mòn thân thiện môi trường.
   • Nâng cao chất lượng và tuổi thọ sản phẩm.

3. Các cơ quan quản lý và tổ chức môi trường:

   • Đánh giá các giải pháp thay thế chất ức chế ăn mòn độc hại, thúc đẩy sản phẩm xanh.
   • Xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ vật liệu mới.

4. Kỹ sư và chuyên gia thi công công trình kim loại ngoài trời:

   • Áp dụng lớp phủ nanocompozit ZnO/CNT/polyuretan để tăng cường bảo vệ công trình.
   • Giảm chi phí bảo trì và sửa chữa do ăn mòn.

Câu hỏi thường gặp

1. Nano ZnO và CNT có vai trò gì trong lớp phủ chống ăn mòn?
   Nano ZnO hấp thụ tia UV, giảm lão hóa polyme, còn CNT gia cường tính cơ lý và dẫn điện, giúp tăng khả năng bảo vệ điện hóa của lớp phủ.

2. Phương pháp tổng hợp nano ZnO/CNT được thực hiện như thế nào?
   Nano ZnO được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel trong môi trường kiềm, CNT được oxy hóa bằng H2O2 để tạo nhóm chức giúp hấp phụ ZnO trên bề mặt.

3. Lớp phủ nanocompozit có bền với tia tử ngoại không?
   Kết quả tổng trở điện hóa và đo độ bóng cho thấy lớp phủ chứa ZnO/CNT có khả năng chịu tia UV tốt hơn màng PU không chứa phụ gia, duy trì tính chất bảo vệ lâu hơn.

4. Tỷ lệ ZnO/CNT nào là tối ưu cho lớp phủ?
   Tỷ lệ ZnO/CNT 2:1 được xác định là tối ưu, mang lại giá trị tổng trở cao nhất và độ bền tử ngoại tốt nhất trong các mẫu nghiên cứu.

5. Lớp phủ nanocompozit có thân thiện với môi trường không?
   Lớp phủ sử dụng nano ZnO và CNT thay thế các hợp chất crômat độc hại, không gây ô nhiễm và an toàn cho sức khỏe con người, phù hợp xu hướng phát triển vật liệu xanh.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công nano oxit kẽm hấp phụ trên ống nano cacbon với cấu trúc tinh thể lục giác Wurtzite ổn định và phân bố đồng đều trên bề mặt CNT.
• Lớp phủ polyuretan nanocompozit chứa ZnO/CNT có khả năng chống ăn mòn và bền tử ngoại vượt trội so với màng PU không chứa phụ gia hoặc chứa riêng lẻ ZnO, CNT.
• Tỷ lệ ZnO/CNT 2:1 được xác định là tối ưu cho hiệu quả bảo vệ và tính chất cơ lý của lớp phủ.
• Phương pháp tổng trở điện hóa, phổ hồng ngoại và kính hiển vi điện tử quét là công cụ hiệu quả để đánh giá tính chất vật liệu và lớp phủ nanocompozit.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu lớp phủ chống ăn mòn thân thiện môi trường, có thể ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và xây dựng.

Next steps: Tiếp tục tối ưu quy trình tổng hợp, mở rộng thử nghiệm thực tế và phát triển các loại lớp phủ nanocompozit đa chức năng. Đẩy mạnh chuyển giao công nghệ và đào tạo kỹ thuật thi công.

Call to action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực vật liệu bảo vệ kim loại được khuyến khích áp dụng và phát triển công nghệ nanocompozit ZnO/CNT để nâng cao hiệu quả bảo vệ và thân thiện môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU. Lý do chọn đề tài:. Mục đích nghiên cứu.10 3 Đối tượng nghiên cứu .10 4 Phương pháp nghiên cứu .11 HƢƠNG 1: TỔNG QUAN. 12 1 1 Ăn mòn kim loại và các phương pháp bảo vệ chống ăn mòn.

Các phương pháp bảo vệ chống ăn mòn kim loại. Nano oxit kẽm. Cấu trúc của nano ZnO. Tính chất của nano ZnO.

Ứng dụng của ZnO. Ống nano cac bon (CNT). Cấu trúc của CNT. Tính chất của CNT.

Ứng dụng của CNT .22 1 4 Sơn bảo vệ chống ăn mòn. Khái niệm về sơn. Thành phần chính của sơn. Những yêu cầu với màng sơn .27 1 4 4 Cơ chế hoạt động của lớp sơn phủ bảo vệ chống ăn mòn.

Sơn bảo vệ chống ăn mòn sử dụng chất ức chế ăn mòn thân thiện với môi trường:. Tình hình nghiên cứu trong nước .30 HƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM .1 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị.32 3 Footer Page 3 of 107. Header Page 4 of 107. Dụng cụ và thiết bị.

Tổng hợp nanocompozit ZnO/CNT. Tổng hợp nano ZnO. Tổng hợp ZnO/CNT với các tỉ lệ khác nhau. Chế tạo màng sơn bảo vệ bằng PU chứa nano ZnO/CNT với các tỉ lệ khác nhau.

Các phương pháp nghiên cứu đặc tính của vật liệu, màng sơn .34 2 3 1 Phương pháp phổ hồng ngoại .34 2 3 2 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM).35 2 3 3 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) .35 2 3 4 Phương pháp tổng trở điện hóa .40 2 3 6 Xác định độ bền va đập .40 HƢƠNG 3: ẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. 41 3 1 Tổng hợp ZnO/CNTvà khảo sát các tính chất. Khảo sát khả năng bền tử ngoại của lớp phủ nanocompozit ZnO/CNT/polyuretan. Khả năng chịu tử ngoại của màng sơn.

Cấu trúc của màng sơn. Khảo sát các tính chất cơ lý của màng sơn. 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 57 4 Footer Page 4 of 107.

Header Page 5 of 107. DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ A- Bảng biểu Bảng 3.1: Các pic đặc trưng và liên kết tương ứng của ZnO, ZnO/CNT và CNT Bảng 3.2: Tính chất cơ lý của màng sơn B- Hình vẽ Hình 1.1: Cấu trúc mạng tinh thể lục giác kiểu Wurtzite (a), mạng tinh thể lập phương đơn giản kiểu muối ăn(b), mạng lập phương giả kẽm (c).2: Sai hỏng trong tinh thể ZnO Hình1.3: Mô hình 3D của ống nano cacbon đơn lớp và đa lớp Hình 2.1: Hiện tượng các tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể chất rắn Hình 2.2: Sơ đồ mạch điện và phổ tổng trở khi màng sơn ngăn cách hoàn toàn kim loại khỏi dung dịch điện ly Hình 2.3: Sơ đồ mạch điện và phổ tổng trở khi dung dịch điện li ngấm vào màng sơn nhưng chưa tiếp xúc với bề mặt kim loại Hình 2.4: Sơ đồ mạch điện và phổ tổng trở khi dung dịch điện li tiếp xúc với bề mặt kim loại Hình 2.5: Sơ đồ đo tổng trở màng sơn Hình 3.1: Giản đồ nhiễu xạ tia X của ZnO, 0-CNT, ZnO/CNT Hình 3.2: Phổ hồng ngoại của nano ZnO (a), ZnO/CNT (b) và CNT (c) Hình 3.3: Ảnh kính hiển vi điện tử quét của nano ZnO/CNT Hình 3.4: Phổ tổng trở của các màng sơn trước khi chiếu UV PhổPhổ tổng trở sau 2 chu kỳ chiếu UV của màng sơn Hình 3.5: Phổ Phổ tổng trở sau 6 chu kỳ chiếu UV của màng sơn Hình 3.6: Phổ Phổ tổng trở sau 9 chu kỳ chiếu UV của màng sơn Hình 3.7: Phổ Phổ tổng trở sau 11 chu kỳ chiếu UV của các màng sơn Hình 3.8: 5 Footer Page 5 of 107. Header Page 6 of 107.9: Biến thiên của giá trị modul tổng trở tại tần số 1 Hz của các màng sơn không chứa phụ gia và chứa phụ gia Hình3.10: Sự suy giảm của độ bóng của màng sơn theo thời gian chiếu UV với góc đo 600 Hình3.11: Phổ hồng ngoại (IR) của màng sơn polyuretan không chứa phụ gia trước (a) và sau 16 chu kỳ chiếu UV (b).12: Phổ hồng ngoại (IR) của màng sơn polyuretan chứa nano ZnO trước (a) và sau 16 chu kỳ chiếu UV (b).13: Phổ hồng ngoại (IR) của màng sơn polyuretan chứa CNT trước (a) và sau 16 chu kỳ chiếu UV (b).14: Phổ hồng ngoại (IR) của màng sơn polyuretan chứa nano ZnO/CNT trước (a) và sau 16 chu kỳ chiếu UV (b). 6 Footer Page 6 of 107.

Header Page 7 of 107. DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT CNT Ống nano cacbon PU Polyuretan SEM Kính hiển vi điện tử quét T Chu kỳ UV Tia tử ngoại XRD Nhiễu xạ tia X 7 Footer Page 7 of 107. Header Page 8 of 107. LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc s khoa học này được thực hiện tại Phòng Nghiên cứu sơn bảo vệ- Viện Kỹ thuật Nhiệt đới – Viện Hàn Lâm Khoa Học và Công nghệ Việt Nam.

Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn PGS TS Trịnh Anh Trúc đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn từ những kiến thức cơ bản nhất để tôi có thể tiếp cận và thực hiện được đề tài, cảm ơn Cô đã lo lắng và giúp đỡ cho tôi trong suốt thời gian tôi học tập và làm việc tại Hà Nội. Tôi xin chân thành cảm ơn TS Phạm Gia Vũ, k sư Vũ Kế Oánh đã tận tình giúp đỡ và đóng góp nhiều ý kiến quý báu để tôi hoàn thành luận văn này Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo Khoa Hóa học- Trường Đại học Khoa học tự nhiên- Đại học Quốc gia Hà Nội, cùng toàn thể cán bộ Phòng Nghiên cứu sơn bảo vệ- Viện Kỹ thuật Nhiệt đới – Viện Hàn Lâm Khoa Học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi và nhiệt tình giúp đỡ tôi suốt thời gian qua. Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên khuyến khích để tôi có thể hoàn thành tốt công việc của mình Hà Nội, ngày…. Học viên Nguy n Th Kim Cúc 8 Footer Page 8 of 107.

Header Page 9 of 107. Lý do chọn đề tài: Trên thế giới vấn đề ăn mòn kim loại luôn được quan tâm nghiên cứu và mang tính thời sự do những thiệt hại to lớn về kinh tế mà nó gây ra. Theo thống kê của Tổ chức ăn mòn thế giới ( WCO) thì hàng năm thiệt hại do ăn mòn chiếm khoảng 3,1- 3,3% tổng thu nhập quốc dân của thế giới, tương đương 1,8 nghìn tỉ USD (chưa kể đến ảnh hưởng môi trường, tai nạn…). Theo báo cáo của NACE thiệt hại do ăn mòn ở Mỹ năm 1998 là 276 tỷ USD, năm 2007 là 442 tỷ USD chiếm khoảng 3,4% GDP, cao hơn thu nhập từ nền nông nghiệp.

Do vậy việc nghiên cứu bảo vệ chống ăn mòn kim loại mang một ý ngh a to lớn, đặc biệt là trong giai đoạn hiện nay khi mà khoa học kỹ thuật phát triển, các ngành công nghệ như vũ trụ, tên lửa, k thuật hạt nhân, công nghiệp hóa học, hóa dầu… ngày càng đòi hỏi cao về tính bảo vệ chống ăn mòn của vật liệu. Việc phát triển các lớp phủ hữu cơ bảo vệ chống ăn mòn kim loại là một vấn đề cấp thiết. Các lớp phủ hữu cơ có ưu thế về giá thành và dễ dàng thi công trong các điều kiện khác nhau Để tăng thời gian bảo vệ chống ăn mòn của lớp phủ hữu cơ, người ta phải đưa vào các chất ức chế ăn mòn từ các hợp chất crômat VI, rất có hiệu quả do tạo thành phức chất khó tan trên bề mặt kim loại, làm tăng độ bám dính giữa bề mặt kim loại với các lớp sơn phủ, đồng thời tăng khả năng bảo vệ chống ăn mòn Tuy nhiên các hợp chất cromat VI có tính chất độc hại ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe con người nên ngày càng bị hạn chế sử dụng. Vì vậy việc nâng cao tuổi thọ lớp phủ hữu cơ và tìm kiếm các chất ức chế không độc hại để thay thế cho các hợp chất cromat VI là một việc rất có ý ngh a và được nhiều nhà khoa học quan tâm.

Trong những năm gần đây công nghệ nano đã tạo nên một làn sóng mới thực sự làm khuấy động hầu hết các ngành khoa học với những ứng dụng tuyệt vời của nó. Viện nghiên cứu công nghệ và tiêu chuẩn Hoa Kỳ gọi công nghệ nano là “cuộc cách mạng tạo nên những sáng tạo mới trong các sản phẩm công nghệ và dịch vụ” Trong đó, vật liệu polyme nanocompozit đang được sự chú ý quan tâm của các nhà 9 Footer Page 9 of 107. Header Page 10 of 107. khoa học trong nước và trên thế giới vì chúng có nhiều tính chất nổi trội so với vật liệu polyme compozit thông thường.

Ống nano cacbon có tính chất cơ lý tốt, tính chất dẫn điện, dẫn nhiệt và tính chất quang học đặc biệt. Trong thời gian gần đây, các lớp phủ polyme nanocompozit được gia cường bằng ống nano cac bon (CNT) được đặc biệt quan tâm vì CNT có tác dụng tăng đáng kể các tính chất cơ lý, tính dẫn điện, dẫn nhiệt, hấp thụ quang và bảo vệ chống ăn mòn của vật liệu. Nano oxit kẽm trong lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn thép ít độc hại, có khả năng chống ăn mòn cao, tạo được độ bám dính tốt và độ bền UV trong các lớp phủ polyme compozit. Ở nước ta hiện nay cũng như trên thế giới việc nghiên cứu ứng dụng CNT trong l nh vực vật liệu polyme nanocompozit còn khá mới mẻ Đặc biệt, trong l nh vực ứng dụng CNT cho việc chế tạo vật liệu polyme nanocompozit để bảo vệ chống ăn mòn là l nh vực mới, chưa được nghiên cứu một cách hệ thống.

Việc nghiên cứu này mở ra một hướng đi mới trong khoa học vật liệu, ứng dụng vào việc bảo vệ chống ăn mòn cho các công trình làm bằng kim loại. Vì vậy tôi thực hiện đề tài “Tổng hợp nano oxit kẽm sử dụng cho lớp phủ nanocompozit ZnO/CNT/polyuretan bền thời tiết” nhằm thay thế các hợp chất crômat độc hại, tạo ra loại sơn thân thiện với môi trường. Mục đíc n ên cứu. Tôi thực hiện đề tài này với mục đích chính là chế tạo vật liệu sơn phủ bảo vệ chống ăn mòn chịu thời tiết, đặc biệt là bức xạ tử ngoại không độc hại thân thiện với môi trường, bao gồm hai nội dung sau: - Tổng hợp nano ZnO/CNT - Chế tạo và đánh giá tính chất chịu bức xạ tử ngoại, tính chất cơ lý của lớp phủ polyuretan nanocompozit chứa ZnO/CNT để bảo vệ chống ăn mòn cho thép cacbon.

Đố tƣợng nghiên cứu Đề tài này nghiên cứu chế tạo và ứng dụng ZnO/CNT trong chế tạo lớp phủ polyuretan nanocompozit bảo vệ chống ăn mòn cho thép cacbon 10 Footer Page 10 of 107.