CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Trong chương này, chúng tôi giới thiệu quá trình ăn mòn kim loại, các phương pháp bảo vệ chống ăn mòn kim loại và lớp phủ sơn, một số khái niệm, tính Trường Đại học KHTN Chuyên ngành hóa vô cơ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ khoa học Đặng Quyết Thắng chất chung của vật liệu nano, hình dạng cấu trúc, một số phương pháp sử dụng để chế tạo vật liệu nano và khả năng ứng dụng của hạt nano ZnO. THỰC NGHIỆM Chúng tôi giới thiệu một số hóa chất, dụng cụ và thiết bị trong quá trình điều chế vật liệu nano và quá trình tổng hợp màng sơn epoxy chứa các hạt nano ZnO. Các phương pháp nghiên cứu đặc tính và tính chất vật liệu như: chụp phổ hồng ngoại IR, chụp hiển vi điện tử quét phát xạ trường FESEM, chụp hiển vi điện tử truyền qua TEM, xác định độ bám dính, độ bền va đập và phương pháp đo tổng trở điện hóa.
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Trong chương này, chúng tôi đưa ra các kết quả thực nghiệm thu được về tính chất của các vật liệu nano ZnO, nano ZnO biến tính. Khảo sát tính chất và khả năng bảo vệ chống ăn mòn kim loại thép của màng sơn được chế tạo trên nền nhựa epoxy có phân tán các hạt nano tổng hợp trên. Trường Đại học KHTN Chuyên ngành hóa vô cơ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ khoa học Đặng Quyết Thắng CHƢƠNG 1. Giới thiệu về ăn mòn kim loại và các phƣơng pháp bảo vệ 1.
n n ki oại [16] Ăn mòn kim loại là quá trình tự phá hủy cấu trúc kim loại dưới tác dụng của môi trường xung quanh hay môi trường xâm thực. 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 xảy ra do phản ứng hóa học của kim loại với môi trường xâm thực. Ăn mòn điện hóa là ăn mòn kim loại trong môi trường điện li, trong đó sự oxy hóa kim loại và sự khử các chất oxy hóa không chỉ xảy ra trong một phản ứng trực tiếp mà nhờ sự dẫn điện, quá trình oxy hóa khử còn xảy ra phức tạp, ở nhiều khu vực khác nhau trên bề mặt 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. Ăn mòn điện hóa của kim loại gồm có ba quá trình cơ bản là quá trình anôt, quá trình catôt và quá trình dẫn điện: - Quá trình anot là quá trình là quá trình oxy hóa điện hóa, trong đó kim loại chuyển vào dung dịch dưới dạng ion và giải phóng điện tử: M → Mn+ + ne - Quá trình catot là quá trình khử điện hóa trong đó các chất oxy hóa nhận điện tử do kim loại bị ăn mòn giải phóng ra: Trường Đại học KHTN Chuyên ngành hóa vô cơ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ khoa học Đặng Quyết Thắng Ox + ne → Red Chất oxi hóa thường gặp là H+ hoặc O2 Trong môi trường axit: 2H3O+ + 2e → H2 + H2O 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. S ăn n th p trong kh quyển [2, 5] Trong không khí khô, thép được bảo vệ bởi một lớp oxit mỏng và khí. Ở nhiệt độ trên 300oC tốc độ oxy hóa tăng rất nhanh. Phản ứng anot: Fe + H2O → FeOH+ + H+ + 2e FeOH+ + H2O → FeOOH + 2H+ + e Phản ứng catot: 3FeOOH + e → Fe3O4 + H2O + OH- Sau đó Fe3O4 tiếp tục bị oxi hóa bởi O2 trong không khí để thành FeOOH: Fe3O4 + 1/4 O2 + 3/2 H2O → 3 FeOOH Tốc độ của phản ứng ăn mòn được xác định bởi tốc độ hình thành lớp gỉ.
Thường lớp gỉ này xốp và quá trình ăn mòn tiếp tục với tốc độ giảm dần khi tăng chiều dày lớp gỉ. Sự có mặt của những phần tử muối hút ẩm trong không khí có thể khởi đầu cho sự ngưng tụ ẩm. Sự ngưng tụ này tạo nên lớp dung dịch điện ly trên bề mặt thép. Ăn mòn của các cấu kiện thép ở ngoài trời cũng bị ảnh hưởng bởi tần số chu kỳ ướt và khô (mưa, sương).
Sự khác nhau về mức độ ăn mòn giữa khí hậu lục địa và biển chủ yếu do nhân tố này quyết định. Trường Đại học KHTN Chuyên ngành hóa vô cơ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ khoa học Đặng Quyết Thắng Sự ăn mòn kim loai nói chung và ăn mòn thép nói riêng đã gây ra một tổn thất đáng kể cho nền kinh tế quốc dân, bởi vậy sự nghiên cứu các quy luật ăn mòn cũng như đề xuất các phương pháp bảo vệ kim loại có ý nghĩa thực tiễn lớn lao. C c phương ph p o v ch ng ăn n ki oại [15] Vấn đề bảo vệ chống ăn mòn kim loại phải được thực hiện đồng thời với việc sử dụng kim loại, dựa trên sự hiểu biết các nguyên nhân và cơ chế của quá trình ăn mòn người ta chia làm ba phương pháp chính như sau: - Tách kim loại khỏi môi trường xâm thực. - Thay đổi tính chất môi trường xâm thực.
- Thay đổi tính chất của kim loại. Tách kim o i hỏi môi tr ờng xâm thự 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, không bị ăn mòn hoặc bị ăn mòn với tốc độ yếu hơn tốc độ ăn mòn của kim loại cần được bảo vệ, độ bền cao. Có nhiều loại lớp phủ nhưng ta có thể chia thành ba loại chính: - Lớp phủ kim loại. - Lớp phủ phi kim loại.
- Lớp phủ hữu cơ. Bản chất của lớp phủ bảo vệ là ở chỗ cô lập kim loại với tác dụng của môi trường xâm thực.2 Thay đổi t nh hất ủa môi tr ờng xâm thự Để thay đổi các tính chất của môi trường xâm thực người ta loại bỏ các chất xâm thực hoặc đưa vào các chất làm giảm tính xâm thực của môi trường. Chẳng hạn nếu oxy hòa tan trong dung dịch là nguyên nhân ăn mòn người ta đuổi oxy vào không khí hay đưa vào các chất hấp thụ đặc biệt như hidrazon hidrat, natri sunfit để làm giảm tính xâm thực của các dung dịch axit, muối, bazơ người ta thêm vào dung dịch các chất ức chế ăn mòn. Để bảo vệ các chi tiết máy chống ăn mòn khí quyển người ta dùng các chất ức chế bay hơi.
Trường Đại học KHTN Chuyên ngành hóa vô cơ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ khoa học Đặng Quyết Thắng 1.3 Thay đổi t nh hất ủa im o i Để thay đổi các tính chất của kim loại người ta có thể đưa các kim loại bền hơn đối với ăn mòn vào dung dịch trong các điều kiện khai thác. Việc hợp kim các kim loại là một phương pháp có hiệu quả để tạo thành một loại thép mới, một loại hợp kim mới. Trên cơ sở hiểu biết quá trình ăn mòn điện hóa hòa tan anôt các kim loại, có thể thay đổi các tính chất của kim loại bằng các phương pháp bảo vệ điện hóa như: bảo vệ catôt, bảo vệ anôt, bảo vệ bằng protecto, bảo vệ điện dẫn lưu. Giới thiệu về vật liệu nano 1.
Các kh i ni về vật i u nano 1.1 Cá hái niệm hung Để hiểu sâu hơn về khái niệm vật liệu nano, chúng ta cần biết hai khái niệm có liên quan là khoa học nano (nanoscience) và công nghệ nano (nanotechnology). Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng, sự can thiệp vào các vật liệu với quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử. Quy mô này tương ứng với kích thước vào cỡ vài nano mét cho đến vài trăm nano mét. Tại các quy mô đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn.
Công nghệ nano là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị, và hệ thống bằng việc điều chỉnh hình dáng và kích thước trên nano mét [21]. Vật liệu nano là đối tượng của hai lĩnh vực là khoa học nano và công nghệ nano, nó là sự liên kết của hai lĩnh vực với nhau. Kích thước của hạt vật liệu đạt từ vài nm đến vài trăm nm.2 Phân o i vật iệu nano Vật liệu nano được chia ra nhiều loại khác nhau nhưng vẫn được phân chia thành các dạng chính như sau: Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn chiều tự do nào cho điện tử). Ví dụ: hạt nano, đám nano Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện tử được tự do trên một chiều.
Ví dụ: dây nano, ống nano. Trường Đại học KHTN Chuyên ngành hóa vô cơ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ khoa học Đặng Quyết Thắng Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiều tự do. Ví dụ: màng mỏng. Ngoài ra, còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nano compozit trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nanomet, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.2 2 T nh chất chung của vật i u nano Các tính chất của vật liệu nano đều bắt nguồn từ kích thước hạt của chúng rất nhỏ bé, có thể đạt tới kích thước giới hạn của nhiều tính chất hóa lí của vật liệu.
Từ đó, ta có thể nhận thấy rằng ở vật liệu nano nằm giữa tính chất lượng tử của nguyên tử và tính chất khối vật liệu.