NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ BIẾN TÍNH HỆ CHẤT HYDROXIDE LỚP KÉP VÀ ỨNG DỤNG CHỐNG ĂN MÒN THÉP TRÊN CƠ SỞ EPOXY

• Tác giả: Phan Minh Vương
• Người hướng dẫn: TS. Phan Thanh Thảo
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Khoa học Vật chất
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp và biến tính hệ chất hydroxide lớp kép và ứng dụng chống ăn mòn thép trên cơ sở epoxy
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Vật liệu hydroxide lớp kép
• 1.2. Cấu trúc và tính chất vật liệu hydroxide lớp kép
• 1.3. Phương pháp tổng hợp
• 1.3.1. Phương pháp tổng hợp có kiểm soát kích thước hạt hydroxide lớp kép
• 1.3.2. Kiểm soát điều kiện phát triển tinh thể
• 1.3.2.1. Kiểm soát môi trường phát triển tinh thể
• 1.3.2.2. Kiểm soát điều kiện tạo mầm
• 1.3.3. Phương pháp tổng hợp vật liệu LDH nanosheet
• 1.3.3.1. Khái quát về vật liệu LDH nanosheet
• 1.3.3.2. Phương pháp bóc tách (top-down)
• 1.3.3.2.1. Bóc tách trong dung môi hữu cơ
• 1.3.3.2.2. Bóc tách sử dụng anion xen kẽ cấu trúc lớn
• 1.3.3.2.3. Bóc tách trong môi trường nước
• 1.3.3.3. Phương pháp tổng hợp trực tiếp (bottom-up)
• 1.3.3.3.1. Tổng hợp trong môi trường vi nhũ. Sử dụng chất phá vỡ liên kết bề mặt
• 1.3.3.3.2. Ức chế quá trình phát triển bề mặt tấm hydroxide
• 1.4. LDH mang ức chế ăn mòn hữu cơ và ứng dụng chống ăn mòn kim loại
• 1.4.1. Cơ chế bảo vệ chống ăn mòn của LDH
• 1.4.2. Về ức chế ăn mòn hữu cơ
• 1.4.3. Tình hình tổng hợp LDH nanosheet mang ức chế ăn mòn hữu cơ
• 1.4.4. Tình hình nghiên cứu ứng dụng LDH nanosheet trong lớp phủ hữu cơ bảo vệ chống ăn mòn
• 1.4.5. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 2. CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Hoá chất, vật liệu, dụng cụ và thiết bị nghiên cứu
• 2.1.1. Hoá chất và nguyên vật liệu
• 2.1.2. Dụng cụ và thiết bị nghiên cứu
• 2.2. Tổng hợp LDH, LDH nanosheet và LDH nanosheet mang ức chế ăn mòn
• 2.2.1. Tổng hợp có kiểm soát kích thước LDH
• 2.2.2. Tổng hợp vật liệu hydroxide lớp kép dạng tấm nano
• 2.2.3. Tổng hợp LDH nanosheet mang ức chế ăn mòn hữu cơ. Chế tạo lớp phủ epoxy bảo vệ chống ăn mòn thép
• 2.2.4. Quy trình chuẩn bị mẫu thép. Chế tạo màng epoxy chứa LDH mang ức chế ăn mòn hữu cơ
• 2.3. Các phương pháp phân tích
• 2.3.1. Phương pháp phân tích cấu trúc vật liệu
• 2.3.2. Đánh giá khả năng giải phóng ức chế ăn mòn
• 2.3.3. Phương pháp phân tích hiệu quả ức chế ăn mòn. Các phương pháp phân tích màng sơn
• 3. CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tổng hợp có kiểm soát kích thước vật liệu hydroxide lớp kép
• 3.2. Ảnh hưởng của pH đến quá trình tổng hợp LDH
• 3.3. Ảnh hưởng của pH đến cấu trúc vật liệu
• 3.4. Ảnh hưởng của pH đến thành phần anion lớp kép
• 3.5. Ảnh hưởng của pH đến thành phần kim loại lớp hydroxide
• 3.6. Ảnh hưởng của pH đến kích thước và hình thái LDH
• 3.7. Nghiên cứu kiểm soát hình thái và kích thước hạt LDH bằng quy trình thuỷ nhiệt có khuấy trộn
• 3.7.1. Ảnh hưởng của khuấy trộn đến hình thái và kích thước LDH
• 3.7.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ thuỷ nhiệt đến hình thái và kích thước LDH
• 3.7.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ thuỷ nhiệt đến quá trình phát triển tinh thể LDH
• 3.8. Mối liên hệ giữa kích thước hạt và điện tích bề mặt vật liệu
• 3.9. Tổng hợp LDH nanosheet với phương pháp tách loại và phân chia mầm
• 3.9.1. Hình thái vật liệu. Thành phần và cấu trúc LDH nanosheet
• 3.9.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của sự phân chia mầm đến quá trình phát triển tinh thể của vật liệu
• 3.9.3. Nghiên cứu kiểm soát kích thước hạt LDH nanosheet. Tổng hợp LDH nanosheet mang ức chế ăn mòn hữu cơ
• 3.10. Khả năng trao đổi ức chế ăn mòn của LDH-CO3
• 3.11. Đặc trưng lý hoá và hình thái LDH mang ức chế ăn mòn
• 3.12. Khả năng mang ức chế ăn mòn BTSA của LDH nanosheet. Cấu trúc pha tinh thể LDH-BTSA tổng hợp từ phản ứng trao đổi ion
• 3.13. Nghiên cứu hiệu quả và cơ chế ức chế của LDH nanosheet mang ức chế ăn mòn hữu cơ
• 3.14. Nghiên cứu khả năng giải phóng ức chế trong môi trường ăn mòn
• 3.15. Hiệu quả và cơ chế ức chế ăn mòn thép của hệ vật liệu LDH
• 3.16. Đánh giá hiệu quả bảo vệ chống ăn mòn của màng sơn epoxy chứa LDH nanosheet mang ức chế ăn mòn
• 3.17. Chế tạo và tính chất cơ lý của màng sơn epoxy
• 3.18. Đánh khả năng bảo vệ chống ăn mòn của màng sơn bằng phương pháp phân tích tổng trở điện hoá
• 3.19. Kết quả thử nghiệm gia tốc ăn mòn
• 3.20. Phân tích độ rộng vết rỉ và độ bám dính màng sơn sau thử nghiệm gia tốc ăn mòn
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC BẢNG
• PHỤ LỤC HÌNH ẢNH

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Hydroxide Lớp Kép Chống Ăn Mòn Epoxy

Nghiên cứu về hydroxide lớp kép (LDH) đang ngày càng thu hút sự quan tâm lớn trong lĩnh vực khoa học vật liệu, đặc biệt là ứng dụng trong chống ăn mòn thép epoxy. LDH là vật liệu nano cấu trúc hai chiều (2D) dạng tấm mỏng, sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội như khả năng trao đổi ion, diện tích bề mặt lớn và dễ dàng biến tính. Việc sử dụng LDH biến tính trong lớp phủ epoxy hứa hẹn mang lại giải pháp hiệu quả, bền vững và thân thiện với môi trường cho việc bảo vệ thép khỏi sự ăn mòn khắc nghiệt. Tài liệu nghiên cứu này sẽ đi sâu vào các phương pháp tổng hợp LDH, biến tính LDH, và ứng dụng của chúng trong lớp phủ epoxy để chống ăn mòn thép.

1.1. Giới thiệu Cấu trúc và Tính chất Vật liệu Hydroxide Lớp Kép

Vật liệu hydroxide lớp kép (LDH) có cấu trúc lớp tương tự như khoáng vật tự nhiên hydrotalcite. Cấu trúc này bao gồm các lớp dương điện được tạo thành từ các cation kim loại hóa trị II và III (ví dụ, Mg2+ và Al3+), xen kẽ với các lớp anion và phân tử nước. Tỷ lệ các ion kim loại trong LDH có thể điều chỉnh để kiểm soát tính chất của vật liệu. Đặc tính quan trọng của LDH là khả năng trao đổi anion trong lớp giữa, cho phép gắn các ion hoặc phân tử có khả năng chống ăn mòn.

1.2. Các Phương pháp Tổng hợp Hydroxide Lớp Kép LDH Phổ Biến

Có nhiều phương pháp tổng hợp LDH khác nhau, bao gồm phương pháp đồng kết tủa, phương pháp thủy nhiệt, phương pháp nung-tái cấu trúc và phương pháp vi nhũ tương. Phương pháp đồng kết tủa là phương pháp phổ biến nhất, dễ thực hiện và kiểm soát. Phương pháp thủy nhiệt thường được sử dụng để tổng hợp LDH với độ kết tinh cao và kích thước hạt đồng đều. Các phương pháp khác được sử dụng để tạo ra các LDH có cấu trúc và tính chất đặc biệt.

II. Thách Thức Ăn Mòn Thép và Yêu Cầu Chống Ăn Mòn Hiệu Quả

Ăn mòn thép là một vấn đề nghiêm trọng trong nhiều ngành công nghiệp, gây thiệt hại lớn về kinh tế và ảnh hưởng đến an toàn công trình. Các phương pháp chống ăn mòn truyền thống thường sử dụng các chất độc hại, gây ô nhiễm môi trường. Do đó, việc phát triển các vật liệu chống ăn mòn hiệu quả, bền vững và thân thiện với môi trường là một yêu cầu cấp thiết. Lớp phủ epoxy là một trong những phương pháp phổ biến để bảo vệ thép khỏi ăn mòn, nhưng khả năng chống ăn mòn của epoxy có thể được cải thiện đáng kể bằng cách thêm các chất phụ gia như LDH.

2.1. Tác Động của Môi Trường Ăn Mòn lên Thép và Lớp Phủ Epoxy

Môi trường ăn mòn chứa các tác nhân như ion clorua, sulfat và oxy hòa tan, có thể tấn công bề mặt thép và phá hủy lớp phủ epoxy. Quá trình ăn mòn dẫn đến sự hình thành gỉ sét, làm giảm độ bền và tuổi thọ của cấu trúc thép. Lớp phủ epoxy có thể bị phồng rộp, nứt nẻ và bong tróc do sự xâm nhập của các tác nhân ăn mòn, làm giảm hiệu quả bảo vệ.

2.2. Hạn Chế của Lớp Phủ Epoxy Thông Thường trong Chống Ăn Mòn

Mặc dù lớp phủ epoxy có khả năng chống ăn mòn tốt, nhưng nó vẫn có những hạn chế nhất định. Epoxy có thể bị suy giảm tính chất cơ học và hóa học theo thời gian, đặc biệt trong môi trường khắc nghiệt. Khả năng tự phục hồi của epoxy cũng rất hạn chế, khiến cho các vết nứt nhỏ có thể lan rộng và gây ra sự ăn mòn cục bộ. Do đó, cần có các biện pháp để cải thiện khả năng chống ăn mòn của lớp phủ epoxy.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Hydroxide Lớp Kép LDH Kiểm Soát Kích Thước

Kích thước hạt và hình thái của LDH có ảnh hưởng lớn đến khả năng chống ăn mòn của nó. Việc kiểm soát kích thước hạt LDH trong quá trình tổng hợp là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu quả của vật liệu. Các phương pháp tổng hợp có kiểm soát kích thước hạt LDH bao gồm điều chỉnh pH, nhiệt độ, thời gian phản ứng và sử dụng các chất hoạt động bề mặt. Theo tài liệu gốc, điều kiện phát triển tinh thể và môi trường phát triển tinh thể là yếu tố quan trọng (trang 9).

3.1. Ảnh Hưởng của pH Đến Quá Trình Tổng Hợp và Cấu Trúc LDH

pH của dung dịch phản ứng có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình tổng hợp LDH. pH ảnh hưởng đến tốc độ kết tủa của các ion kim loại, độ kết tinh của LDH và kích thước hạt. pH tối ưu cho tổng hợp LDH thường nằm trong khoảng từ 8 đến 12. Việc kiểm soát pH cẩn thận giúp tạo ra LDH với cấu trúc và tính chất mong muốn.

3.2. Kiểm Soát Hình Thái và Kích Thước Hạt LDH Bằng Quy Trình Thủy Nhiệt

Quy trình thủy nhiệt là một phương pháp hiệu quả để kiểm soát hình thái và kích thước hạt LDH. Trong quy trình thủy nhiệt, phản ứng tổng hợp LDH được thực hiện trong môi trường nước ở nhiệt độ và áp suất cao. Điều này giúp tăng độ kết tinh của LDH, giảm kích thước hạt và cải thiện độ đồng đều của vật liệu.

3.3 Phương pháp tách loại và phân chia mầm trong tổng hợp LDH

Phương pháp này giúp kiểm soát kích thước và hình dạng của các hạt LDH nanosheet. Bằng cách tách loại các mầm tinh thể không mong muốn và phân chia các mầm còn lại một cách đồng đều, quy trình này tạo điều kiện cho sự phát triển đồng nhất của các nanosheet. Điều này dẫn đến việc thu được vật liệu LDH có kích thước và hình dạng được kiểm soát tốt hơn, từ đó cải thiện hiệu suất trong các ứng dụng chống ăn mòn.

IV. Biến Tính Hydroxide Lớp Kép LDH Tăng Cường Chống Ăn Mòn Epoxy

Biến tính LDH là quá trình thay đổi tính chất của LDH bằng cách đưa các ion hoặc phân tử khác vào cấu trúc của nó. Biến tính LDH có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm trao đổi ion, grafting và intercalcation. Việc biến tính LDH giúp cải thiện khả năng phân tán của LDH trong epoxy, tăng cường khả năng chống ăn mòn và cải thiện tính chất cơ học của lớp phủ.

4.1. Trao Đổi Ion Gắn Các Chất Ức Chế Ăn Mòn Hữu Cơ Vào LDH

Phương pháp trao đổi ion được sử dụng để gắn các chất ức chế ăn mòn hữu cơ vào cấu trúc LDH. Các chất ức chế ăn mòn hữu cơ có thể hấp phụ lên bề mặt thép và tạo thành lớp màng bảo vệ, ngăn chặn quá trình ăn mòn. Việc gắn các chất ức chế ăn mòn hữu cơ vào LDH giúp tăng cường khả năng chống ăn mòn của lớp phủ epoxy.

4.2. Ảnh Hưởng của Biến Tính Đến Khả Năng Phân Tán và Tương Thích Trong Epoxy

Quá trình biến tính LDH có thể cải thiện khả năng phân tán của LDH trong epoxy và tăng cường sự tương thích giữa LDH và epoxy. Điều này giúp tạo ra lớp phủ đồng nhất, giảm thiểu sự hình thành các khuyết tật và cải thiện khả năng chống ăn mòn.

4.3. Khả năng giải phóng ức chế trong môi trường ăn mòn

Nghiên cứu khả năng giải phóng các chất ức chế ăn mòn từ LDH trong môi trường ăn mòn mô phỏng. Điều này giúp đánh giá hiệu quả hoạt động của vật liệu LDH trong việc cung cấp các chất bảo vệ cho bề mặt kim loại, từ đó kéo dài tuổi thọ và giảm thiểu tác động của quá trình ăn mòn.

V. Ứng Dụng Hydroxide Lớp Kép Biến Tính Trong Lớp Phủ Epoxy Chống Ăn Mòn

Việc sử dụng LDH biến tính trong lớp phủ epoxy mang lại nhiều lợi ích trong việc chống ăn mòn thép. LDH có thể hoạt động như một chất ức chế ăn mòn, tạo thành lớp màng bảo vệ trên bề mặt thép, và cải thiện tính chất cơ học của lớp phủ. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng lớp phủ epoxy chứa LDH biến tính có khả năng chống ăn mòn vượt trội so với lớp phủ epoxy thông thường.

5.1. Đánh Giá Hiệu Quả Bảo Vệ Chống Ăn Mòn Bằng Phương Pháp Điện Hóa

Các phương pháp điện hóa, chẳng hạn như phép đo phân cực Tafel và phép đo tổng trở điện hóa (EIS), được sử dụng để đánh giá hiệu quả bảo vệ chống ăn mòn của lớp phủ epoxy chứa LDH biến tính. Các kết quả điện hóa cho thấy rằng lớp phủ chứa LDH có điện trở phân cực cao hơn và mật độ dòng ăn mòn thấp hơn so với lớp phủ thông thường.

5.2. Thử Nghiệm Gia Tốc Ăn Mòn và Phân Tích Độ Bám Dính Màng Sơn

Thử nghiệm gia tốc ăn mòn, chẳng hạn như thử nghiệm phun muối, được sử dụng để đánh giá khả năng chống ăn mòn của lớp phủ trong điều kiện khắc nghiệt. Phân tích độ bám dính màng sơn được thực hiện để đánh giá độ bền của lớp phủ và khả năng bảo vệ thép khỏi sự ăn mòn lâu dài. Kết quả thử nghiệm cho thấy rằng lớp phủ epoxy chứa LDH biến tính có khả năng chống ăn mòn tốt hơn và độ bám dính cao hơn so với lớp phủ thông thường.

5.3 Chế tạo và tính chất cơ lý của màng sơn epoxy chứa LDH

Nghiên cứu các tính chất cơ lý của màng sơn, bao gồm độ cứng, độ bền kéo, và khả năng chống trầy xước. Sự hiện diện của LDH có thể ảnh hưởng đến các tính chất này, do đó việc đánh giá cẩn thận là cần thiết để đảm bảo rằng màng sơn đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cho ứng dụng cụ thể.

VI. Kết Luận Triển Vọng Hydroxide Lớp Kép Cho Lớp Phủ Bền Vững

Nghiên cứu về tổng hợp và biến tính LDH cho thấy tiềm năng lớn của vật liệu này trong ứng dụng chống ăn mòn thép epoxy. Việc kiểm soát kích thước hạt, biến tính LDH bằng các chất ức chế ăn mòn hữu cơ và sử dụng LDH trong lớp phủ epoxy giúp cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn của thép. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa các phương pháp tổng hợp và biến tính LDH, cũng như khám phá các ứng dụng tiềm năng khác của vật liệu này trong lĩnh vực chống ăn mòn.

6.1. Tổng Kết Các Kết Quả Nghiên Cứu và Đóng Góp Mới

Nghiên cứu này đã đạt được những kết quả quan trọng trong việc tổng hợp và biến tính LDH cho ứng dụng chống ăn mòn thép epoxy. Các đóng góp mới của nghiên cứu bao gồm phát triển phương pháp tổng hợp LDH có kiểm soát kích thước hạt, biến tính LDH bằng các chất ức chế ăn mòn hữu cơ và đánh giá hiệu quả chống ăn mòn của lớp phủ epoxy chứa LDH biến tính.

6.2. Đề Xuất Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo và Ứng Dụng Thực Tế

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa các phương pháp tổng hợp và biến tính LDH, khám phá các chất ức chế ăn mòn hữu cơ mới và đánh giá hiệu quả chống ăn mòn của lớp phủ epoxy chứa LDH biến tính trong các môi trường khác nhau. Ứng dụng thực tế của lớp phủ epoxy chứa LDH biến tính bao gồm bảo vệ các công trình thép trong môi trường biển, công nghiệp hóa chất và giao thông vận tải.