MỞ ĐẦU 1. 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Trong luận văn này, tôi sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau: ● Tổng hợp nano ZnO/CNT bằng phương pháp sol- gel ● Phân tích cấu trúc bằng các phương pháp: + Phương pháp phổ hồng ngoại + Phương pháp kính hiển vi trường điện tử quét (FESEM) + Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X (XRD) ● Phương pháp đánh giá khả năng chịu tử ngoại của lớp phủ polyuretan chứa nano ZnO/CNT + Phương pháp tổng trở điện hóa + Phương pháp đo độ bóng + Phương pháp xác định độ bám dính +Phương pháp xác định độ bền va đập 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com HƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.
Ăn mòn k m loạ và các p ƣơn p áp bảo vệ chốn ăn mòn 1. Ăn mòn k m loại a) Khái niệm Ăn mòn kim loại là quá trình tự phá huỷ cấu trúc kim loại dưới tác dụng của môi trường xung quanh hay môi trường xâm thực. Kim loại trong môi trường ăn mòn sẽ chuyển thành ion: M → Mn+ + ne b) Phân loại ăn mòn kim loại - Có nhiều nguyên nhân ảnh hưởng tới quá trình ăn mòn kim loại như: Bản chất và thành phần kim loại, bề dày kim loại, thành phần môi trường xâm thực, công nghệ vật liệu… Tùy theo cơ chế phá hủy kim loại mà người ta phân loại ăn mòn thành: ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa. [7] Ăn mòn hoá học là sự ăn mòn xảy ra như một phản ứng hoá học giữa kim loại và môi trường tác dụng lên kim loại theo cơ chế phản ứng hoá học dị thể, ngh a là phản ứng chuyển kim loại thành ion xảy ra ở cùng một giai đoạn.
Ăn mòn điện hoá xảy ra do tác dụng của môi trường xung quanh lên bề mặt kim loại theo cơ chế điện hoá tuân theo quy luật của động học điện hoá. Phản ứng chuyển kim loại thành ion xảy ra không phải ở cùng một giai đoạn mà xảy ra ở nhiều giai đoạn và ở nhiều khu vực khác nhau của kim loại. - Ăn mòn điện hóa tuân theo quy luật của động học điện hóa và định luật Faraday. Điển hình cho dạng ăn mòn này là ăn mòn galvanic, với các hợp kim được tạo bởi nhiều nguyên tố kim loại có điện thế điện cực khác nhau cho nên khi làm việc trong dung dich điện li tạo thành các pin ăn mòn, ta gọi đó là dạng ăn mòn galvanic Sự phá hủy kim loại theo cơ chế ăn mòn điện hóa rất phổ biến trong tự nhiên.
Trong thực tế phần lớn kim loại bị ăn mòn theo cơ chế điện hóa. Ăn mòn điện hóa của kim loại gồm có ba quá trình cơ bản: quá trình anôt, quá trình catôt và quá trình dẫn điện. 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Quá trình anôt là quá trình oxy hóa điện hóa, trong đó kim loại (chất khử-red) chuyển vào dung dịch dưới dạng ion và giải phóng điện tử: Me → Men+ +ne viết tổng quát là Red1→Ox1+ne Quá trình catôt là quá trình khử, trong đó các chất oxy hóa (ox-thường là H+ hoặc là O2) nhận điện tử do kim loại bị ăn mòn giải phóng ra : Ox2 + ne → Red2 + Nếu Ox là H+ thì quá trình catôt xảy ra như sau : H+ +1e → Hhp Hhp + Hhp→ H2 Trong đó, Hhp là hydro hấp phụ. Ta gọi trường hợp này là sự ăn mòn với chất khử phân cực hydro.
+ Nếu Ox là O2 thì: Với môi trường axit,quá trình catôt là: O2 + 4H+ + 4e → 2H2O Với môi trường trung tính hoặc bazơ, quá trình catôt sẽ là: O2 + 2H2O + 4e → 4OH- Ví dụ [2,3] : ăn mòn của sắt, quá trình tạo lớp gỉ sắt được biểu diễn bằng phản ứng tổng quát là: 2Fe + 2H2O + O2 → 2Fe(OH)2. Thực chất gồm 2 phản ứng như sau: Phản ứng anot: Fe → Fe2+ +2e Phản ứng catot: 2H2O + O2 + 4e → 4OH- Phản ứng thứ cấp: 2Fe2+ + 4OH- → 2Fe(OH)2 Trong quá trình dẫn điện, các điện tử do kim loại ăn mòn giải phóng ra sẽ di chuyển từ nơi có phản ứng anôt tới nơi có phản ứng catôt, các ion dịch chuyển trong dung dịch Như vậy, khi kim loại bị ăn mòn sẽ xuất hiện vùng catôt và vùng anôt. Ngoài ra còn phân loại theo sự phá huỷ bề mặt kim loại. Tuỳ theo sự ăn mòn xảy ra trên toàn bề mặt kim loại (ăn mòn liền khối) hay từng khu vực (ăn mòn cục bộ).
Sự ăn mòn kim loại gây ra các hậu quả nghiêm trọng và làm hao tổn kim loại. Vì ăn mòn kim loại làm biến đổi một lượng lớn các sản phẩm kim loại thành sản phẩm ăn mòn, làm biến đổi hoàn toàn tính chất của kim loại. Nó làm biến đổi các tính chất quan trọng của kim loại như tính ổn định cơ học, độ mềm dẻo, và một vài tính chất vật lý 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com hoá học như độ cứng, độ phản xạ, độ dẫn điện … Do đó khi đánh giá những mất mát do ăn mòn ta phải khảo sát tất cả những hậu quả do ăn mòn gây ra gồm hao tổn trực tiếp và hao tổn gián tiếp. Những hao tổn trực tiếp bao gồm giá cả của các thiết bị ăn mòn (máy móc, ống dẫn), các phí tổn quan trọng của các phương tiện bảo vệ: mạ điện, mạ niken của thép hay sơn, sử dụng các chất ức chế ăn mòn Những hao tổn gián tiếp gây ra những hậu quả nghiêm trọng như sự hư hại thiết bị, mất mát sản phẩm, giảm hiệu suất, làm bẩn các sản phẩm thực phẩm.
Do vậy việc bảo vệ chống ăn mòn kim loại là một vấn đề cần thiết cả về kinh tế cũng như công nghệ.