MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Kim loại và hợp kim có vai trò vô cùng quan trọng trong mọi lĩnh vực của loài người. Nó là vật liệu không thể thiếu và ngày càng được sử dụng rộng rãi. Thế nhưng con người vẫn luôn phải đối đầu với một vấn đề rất quan trọng, đó là ăn mòn kim loại.
Hiện tượng ăn mòn kim loại gây ra những thiệt hại rất lớn cho nền kinh tế quốc dân. Theo ước tính có tới 10% lượng kim loại sản xuất ra hàng năm trên thế giới bị thiệt hại do ăn mòn. Việt Nam là quốc gia khí hậu nhiệt đới, nóng ẩm, mưa nhiều và có trên 3000 km bờ biển. Do đó tốc độ ăn mòn kim loại ở Việt Nam diễn ra rất nhanh, mạnh mẽ.
Chính vì vậy việc tìm ra các biện pháp hạn chế tối đa quá trình ăn mòn đang là một trong những vấn đề cấp thiết. Một trong những biện pháp có hiệu quả cao để bảo vệ chống ăn mòn kim loại là sử dụng các lớp sơn phủ hữu cơ. Các lớp phủ hữu cơ được ứng dụng nhiều trong việc bảo vệ chống ăn mòn vì giá thành rẻ, dễ thi công trong các điều kiện khác nhau. Tuy nhiên tuổi thọ của công trình bảo vệ bằng phương pháp sơn phủ này vẫn còn hạn chế, do các lớp sơn phủ tốt nhất cũng chỉ có tuổi thọ bảo vệ khoảng trên dưới 10 năm.
Trong khi yêu cầu tuổi thọ công trình biển tối thiểu cũng vài chục năm. Mặc khác để tăng thời gian bảo vệ chống ăn mòn của các lớp phủ hữu cơ, người ta đã phải đưa các chất ức chế độc hại như các hợp chất cromat hoặc photphat sử dụng làm chất ức chế trong màng sơn rất hiệu quả. Tuy nhiêu các hợp chất cromat lại gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Trong thời gian gần đây các nhà khoa học đã luôn quan tâm tìm cách nâng cao thời gian bảo vệ các lớp phủ hữu cơ cũng như giảm các yếu tố gây độc hại cho môi trường.
Một trong những hướng đi mới là tạo ra các lớp phủ hữu cơ trên cơ sở vật liệu polyme nanocompozit. 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Vì vậy việc tổng hợp nano silica, biến tính nano silica và ứng dụng để tăng khả năng bảo vệ chống ăn mòn cho lớp phủ được các nhà khoa học trên toàn thế giới đặc biệt quan tâm trong những năm gần đây. Nội dung nghiên cứu Trong công trình này chúng tôi tổng hợp và biến tính nanosilica bằng polyetylenimin (PEI), 2-benzothiazolylthio-succinic axit (BTSA) và 4-amino-2- hydroxybenzoic axit (ABA). Nghiên cứu tính chất đặc trưng của nano silica biến tính.
Cấu trúc của nano silica biến tính được phân tích bằng phổ hồng ngoại, kính hiển vị điện tử quét, hàm lượng PEI, BTSA, ABA trong nanosilica biến tính được xác định bằng phương pháp phân tích nhiệt, khả năng ức chế ăn mòn thép của nano silica và nano silica biến tính hữu cơ được đánh giá bằng đo đường cong phân cực và tổng trở điện hóa. Giới thiệu về ăn mòn kim loại và các phương pháp bảo vệ [11, 16, 17] 1. Ăn mòn kim loại [17] 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com a) Khái niệm Ăn mòn kim loại là sự phá hủy kim loại hoặc hợp kim do tác dụng của các chất trong môi trường xung quanh. Kim loại bị oxi hóa thành ion dương.
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, 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. Ăn mòn hóa học là quá trình oxi hóa – khử của kim loại với môi trường xâm thực. Trong đó các electron của kim loại được chuyển trực tiếp đến các chất trong môi trường. Một đặc điểm quan trọng của ăn mòn hóa học là các sản phẩm được tạo thành trong phản ứng giữa kim loại và các chất trong môi trường bao phủ bề mặt kim loại, do đó ngăn cách kim loại với môi trường và bảo vệ cho kim loại khỏi bị ăn mòn tiếp.
Ăn mòn điện hoá là ăn mòn kim loại trong môi trường điện li, trong đó sự oxi hóa kim loại và sự khử các chất oxi hóa không chỉ xảy ra trong một phản ứng trực tiếp mà nhờ sự dẫn điện, quá trình oxi hóa còn xảy ra phức tạp ở nhiều khu vực khác nhau trên bề mặt kim loại Với các hợp kim được tạo bởi nhiều nguyên tố kim loại có điện thế điện cực khác nhau khi làm việc trong dung dịch điện li tạo thành các pin ăn mòn. Mỗi tinh thể hay hạt tạp chất tạo thành một pin tí hon. Ở những chỗ nối giữa các kim loại, ở những điểm tiếp xúc giữa các kim loại và ngay giữa các vùng có cấu trúc khác nhau của cùng một kim loại cũng có thể hình thành những pin tí hon. Hoạt động của chúng sẽ dẫn đến sự oxi hóa dần dần khối kim loại.
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. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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. - 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 Chất oxi hóa thường gặp là H+ hoặc O2 Trong môi trường axit: O2 + 4H+ + 4e → 2H2O Trong môi trường trung tính: O2 + 2H2O + 4e → 4OH- 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, còn các ion dịch chuyển trong dung dịch.
Như vậy, khi kim loại bị ăn mòn sẽ xuất hiện vùng catôt và vùng anôt. Các phương pháp bảo vệ chống ăn mòn kim loại [16] Có nhiều phương pháp chống ăn mòn kim loại, việc sử dụng và kết hợp các phương pháp để bảo vệ kim loại phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: tích chất của kim loại cần bảo vệ, kim loại đó nằm trong môi trường nào, các nguyên nhân và cơ chế của quá trình ăn mòn kim loại đó…. Người ta đưa ra vài phương pháp chính như sau: + Phương pháp dùng chất ức chế. + Phương pháp điện hóa.
+ Cách li kim loại khỏi môi trường xâm thực. a) Phương pháp dùng chất ức chế Người ta cho thêm chất ức chế vào môi trường ăn mòn để làm chậm quá trình ăn mòn kim loại. Trên thực tế, những chất ức chế được dùng rộng rãi để bảo vệ những hệ thống tiếp xúc với dung dịch như các máy hóa, hệ thống làm lạnh, nồi hơi, thiết bị ngưng tụ…Chất ức chế có thể là hợp chất hữu cơ như amin, hợp chất dị vòng chứa nitơ, urê, cromat, nitrit…Một số chất ức chế sẽ tác dụng với dung dịch hoặc kim loại hoặc sản phẩm ăn mòn tạo nên màng mỏng bao phủ bề mặt kim loại. Ngoài ra, người 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ta còn thay đổi các tính chất của môi trường xâm thực bằng cách loại bỏ các chất xâm thực.
b) Phương pháp điện hóa [4] Khi hai kim loại tiếp xúc với dung dịch điện li, kim loại hoạt động sẽ bị ăn mòn, nó trở thành điện cực âm của pin điện còn kim loại kém hoạt động hơn trở thành điện cực dương, nghĩa là không bị ăn mòn. Chẳng hạn, để bảo vệ các cầu, tháp, ống dẫn dầu, vỏ tàu….bằng thép, người ta nối chúng với các khối Zn, Mg. Khi đó sẽ tạo thành những pin khổng lồ, trong đó vật được bảo vệ đóng vai trò catot, còn các khối Zn, Mg…đóng vai trò anot, chúng sẽ bị oxi hóa và do đó bị ăn mòn thay cho vật cần bảo vệ. Theo nguyên lí đó, ngành khai thác dầu ở trên biển dùng thiết bị bảo vệ là những thỏi hợp kim của Mg và Al là kim loại hoạt động hơn Fe.
Người ta lắp những thỏi hợp kim đó vào phần ngâm trong nước biển của cầu. Kết quả là Mg, Al tan dần vào nước biển. c) Cách li kim loại khỏi môi trường xâm thực Phương pháp bảo vệ kim loại được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp là ngăn cách kim loại khỏi môi trường xâm thực bằng lớp phủ bám dính tốt, không thấm và kín khít, độ cứng cao, không bị ăn mòn hoặc bị ăn mòn với tốc độ yếu hơn tốc độ ăn mòn của kim loại cần được bảo vệ, có độ bền cao. Lớp phủ đó có thể là lớp dầu mỡ, sơn, vecni, chất polime hoặc lớp mạ bằng những kim loại bền với không khí và nước như Cr, Cd, Sn… Bản chất của lớp phủ bảo vệ là ở chỗ cô lập kim loại với tác dụng của môi trường xâm thực.
Có nhiều loại lớp phủ nhưng ta có thể chia thành ba loại chính như sau: Lớp phủ kim loại. Lớp phủ phi kim loại. Lớp phủ hữu cơ. Lớp phủ hữu cơ bảo vệ chống ăn mòn kim loại [1, 5, 6, 8, 16, 17] 1.
Khái quát về sơn 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Sơn là hệ huyền phù gồm chất tạo màng, dung môi và một số chất phụ gia khác, khi phủ lên bề mặt tạo thành lớp mỏng bám chắc, bảo vệ và trang trí vật cần sơn. Hiện nay người ta chưa chế tạo được một loại sơn mà đồng thời đáp ứng mọi yêu cầu như: bám dính, chống ăn mòn, chống thấm, tạo màu sắc, mà giá thành lại chấp nhận được. Do đó người ta phải sơn nhiều lớp khác nhau. Mỗi hệ thống sơn thường gồm ba lớp chính: - Lớp lót: tác dụng chủ yếu là bám dính tốt lên bề mặt vật cần sơn và chống ăn mòn.
- Lớp trung gian (hay lớp tăng cường): có tác dụng tăng độ bền và tăng khả năng chống thấm của lớp lót. - Lớp phủ: tạo độ bóng, tạo màu sắc và phần nào có tác dụng chống thấm và ngăn cản tác hại của tia sáng lên sơn. Thành phần của sơn Thành phần chính của sơn bao gồm: - Chất kết dính: gồm ba nhóm chính tùy theo phương thức làm khô để đóng rắn sơn: + Đóng rắn nhờ bốc hơi dung môi.