CHƯƠNG 1. TONG QUAN Giới thiệu cơ sở lý thuyết van đề ăn mon, độ bền khí hậu của màng sơn phủ. Giới thiệu về thành phan son lót epoxy, lớp sơn trung gian epoxy MIO, lớp sơn phủ polyurea, các phân tử nanoclay và nanosilica. THỰC NGHIỆM Giới thiệu về nguyên vật liệu, thiết bị dụng cụ, các phương pháp nghiên cứu và phương pháp đánh giá.
KET QUA VÀ THẢO LUẬN 3. Nghiên cứu chế tạo sơn lót epoxy Trình bày các kết quả nghiên cứu và chế tạo sơn lót epoxy. Nghiên cứu chế tạo sơn phủ polyurea Trình bày các kết quả nghiên cứu và chế tạo sơn phủ polyurea. Nghiên cứu chế tạo hệ son bảo vệ kết cấu thép Trình bày các kết quả nghiên cứu và chế tạo hệ sơn gồm ba lớp: sơn lót epoxy/sơn trung gian epoxy MIO/sơn phủ polyuea.
Dự báo tuổi thọ của hệ sơn. KET LUẬN VÀ KIEN NGHỊ DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BO TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC CHƯƠNG 1 TỎNG QUAN 1.1 Ăn mòn kim loại Kim loại và kết cầu thép đóng vai trò rất quan trọng trong các công trình xây dựng và dân dụng. Theo số liệu thống kê, lượng kim loại (bao gồm thép và kim loại màu) bị ăn mòn chiếm 3 — 4% GDP của toàn thế giới [1-3]. Hàng năm có tới 10 — 15% khối lượng kim loại bị phá hủy nếu không được bảo vệ.
Ăn mòn kim loại là sự tự phá hủy kim loại do tác dụng hóa học và điện hóa học với môi trường xung quanh, thường gặp nhất là các dạng ăn mòn gây ra bởi các phản ứng điện hóa. Trong đó, dn mon hóa học là quá trình ăn mòn do tác dụng hóa học giữa kim loại với môi trường lỏng không dẫn điện, hay các khí khô xâm thực như Os, SO>, SOs, HS, Cl›. An mon điện hóa là quá trình ăn mòn do tác dụng điện hóa học giữa kim loại với môi trường điện ly, xảy ra phản ứng điện hóa với ba quá trình đồng thời: quá trình anot, quá trình catot va quá trình dẫn điện. Điền hình của ăn mòn điện hóa là các dạng ăn mon galvanic [5-7].
Thép là hop kim cua sat, cacbon và các kim loại khác. Sự ăn mòn thép phụ thuộc rat lớn vào thành phan hóa hoc bên trong thép. Sự không đồng đều giữa các thành phan trong thép dẫn đến hình thành các vùng anot và catot khác nhau. Khi thép được nhúng trong môi trường điện ly, sắt của thép sẽ bị ăn mòn ở vùng anot.
Cơ chế ăn mòn điện hóa sắt với sự có mặt của nước, oxy va chat dién ly theo so đồ sau (hình 1.1 So đồ mô ta cơ chê quá trình ăn mòn điện hóa sat với sự có mặt của nước, oxy và chất điện ly [5-8] Trong môi trường khí quyền nhiệt đới với đặc điểm độ âm cao, lượng mưa lớn, số 210 nang cao, ngoai ra còn có các chat 6 nhiễm khác như SO>, NO; lam gia tăng tốc độ ăn mòn trong khí quyền do tăng tinh chất dung dịch điện ly va tăng độ 6n định của lớp mang nước ngưng tụ từ khí quyền. SO, là một chất ô nhiễm thường gặp, khi hấp thu trong lớp nước bé mặt sẽ tạo ra H;SOx làm tăng đáng kế tốc độ ăn mòn của thép cacbon trong khí quyền (hình 1. 1400 rTT———r T T 1200 Ƒ- a Ẹ Có SO Đ 2 „ 800 |- g % 600} 4 - S400 b s Không có So, z - Ö 0 20 40 60 80 100 120 140 Thời gian thí nghiệm (ngay) Hình 1.2 Ảnh hưởng của khí SO, đến sự ăn mòn thép cacbon [5-7] Nước biên chứa nhiều loại muối như NaCl, MgCl. Các khoáng chất khác, các loại vi sinh vật, oxy hòa tan và nhiệt độ nước biên đều anh hưởng đến tốc độ ăn mòn của sắt trong nước biển.3 biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ NaCl đến tốc độ ăn mòn sắt trong dung dịch muối NaCl thông khí ở nhiệt độ phòng.
Sự tăng tốc độ ăn mòn ban đầu là do tăng độ dẫn dung dịch. Khi muối hòa tan nhiều hơn nữa thì độ tan của oxy giảm và tốc độ ăn mòn sẽ giảm đều sau khi đạt cực đại ở 3% NaCl [5-7]. Nm Ù L Tmđšốònệc Q L L L L L 5 1G 15 29 2s 30 Nồng đệ NaCl ( %kl) Hình 1.3 Tốc độ ăn mòn sat trong dung dich muối NaCl ở nhiệt độ thường [5-7] Dung dịch NaCl 3,5% thường được sử dung dé mô phỏng nước biến trong phòng thí nghiệm, tuy nhiên các dung dịch này thường xâm thực mạnh hơn nước biến tự nhiên nhất là đối với thép cacbon. Điều này là do trong nước biển tự nhiên có chứa một lượng đáng kế Ca”” và Mg””.
Phản ứng khử catốt của oxy hòa tan sẽ tao môi trường hơi kiềm trên bề mặt, dẫn đến kết tủa CaCO3 và Mg(OH)2 theo phan ứng: Ca** + HCO; +OHT + H,O+CaCO, Mg** +20H” -> Mg(OH), Các kết tủa này sẽ ức chế hơn nữa phản ứng khử catốt và sự ăn mòn.2 Độ bền môi trường của màng sơn phủ bảo vệ thép l12.I Màng sơn phú bao vệ thép Bảo vệ chống ăn mòn kim loại băng màng sơn phủ hữu cơ được xem là phương pháp hiệu quả nhất vì khoảng 90% kim loại trên thế giới được bảo vệ bang các lớp sơn phủ hữu cơ. Màng sơn chống ăn mòn bảo vệ vật liệu phải đáp ứng các yêu cầu về độ bám dính, chống ăn mòn, chống thấm, tao mau sac,.va giá thành phải hợp lý. Một lớp son hầu như không thể đáp ứng được cùng lúc các yêu cầu trên. Do đó phải sơn nhiều lớp khác nhau, mỗi lớp sơn sẽ có mục đích sử dụng và yêu cầu nhất định tạo nên hệ sơn.
Một hệ sơn thường gồm ba lớp chính như sau: Lớp sơn lót: tác dụng chủ yếu là bám dính tốt trên bề mặt vật liệu và chống ăn mòn. Lớp sơn trung gian: có tắc dụng tăng bền và tăng khả năng chống thâm thấu của sơn. Lớp sơn trung gian bám dính trực tiếp lên lớp sơn lót, tăng cường chống ăn mòn cho sơn lót và liên kết tốt với lớp sơn phủ. Lớp son phi: Lớp sơn phủ chịu tác dụng trực tiếp của môi trường ăn mòn.
Mang son phủ phải bám dính tốt với sơn lót hoặc sơn trung gian, bền trong môi trường ăn mòn. Bên cạnh tinh chất bảo vệ chống ăn mòn, màng sơn phủ còn có chức năng trang trí bên ngoài, tạo độ bóng cho kết cầu kim loại. Theo tiêu chuẩn theo ISO 12944 [9], một số hệ sơn khuyến cáo được sử dụng để bảo vệ kim loại chống ăn mòn thé hiện trong bang 1.1 Một số lớp son sử dụng trong môi trường ăn mòn theo ISO 12944 [9] Bé dày , Mỗi trường 4 Độ bề a trường an Sơn lót Sơn phủ hệ sơn gen mon (um) CS-M(muôi biên) | Epoxy, Polyuretan Epoxy, Polyuretan 240-320 Trên 5 giàu kẽm, Etyl silicat năm Alkyd, Cao su clo Bitum, Cao su clo C4-Hóa chat hóa, Epoxy, hóa, Epoxy, 200-320 Trên 5 Polyuretan giàu kẽm, | Polyuretan năm Etyl silicat Alkyd, Cao su cl| o Cao su clo hóa, C3-không khíiẩm | héa, E Trén 5 ene kona oe PONY oo Epoxy, Polyuretan | 160-240 <n Polyuretan giau kém, nam Etyl silicat 1. Một số nghiên cứu về hệ son bảo vệ thép chong ăn mòn Hiện nay trên thé giới có nhiều công trình nghiên cứu nham nâng cao chất lượng của sơn và thân thiện với môi trường.
Nhà sản xuất hóa chất Basf đã phát triển một hệ sơn nước chống ăn mòn thép trên co sở acrylic với các phụ gia ức chế ăn mòn chì và cromat kẽm. Tiếp sau, dần loại bỏ các phụ gia độc hại gốc chì và cromat. HỆ son acrylic mới do hãng Basf nghiên cứu dựa trên nhựa acrylic biến tính với phụ gia photphat kẽm và borat thân thiện với môi trường và không độc hại với con người [10]. Hãng sơn Speccoat đã nghiên cứu và chế tạo các loại sơn chống ăn mòn thép trên cơ sở nhựa acrylic, nhựa alkyd sử dụng phụ gia ức chế ăn mòn photphat kẽm, cao su clo hóa, nhựa epoxy, epoxy phenolic, sơn chịu nhiệt silicon acrylic, sơn 100% răn polyurea, polyuretan và polyuretan/polyurea, nhựa vinyl [11].
Các loại sơn phủ trên cơ sở nhựa polyuretan, polyurea và polyuretan/polyurea được xem như là các hệ sơn có tính năng chống ăn mòn bảo vệ thép và chịu thời tiết tốt nhất, đồng thời có khả năng chồng thấm, chịu mài mòn tốt [3,12-13]. Trong các nghiên cứu [14-18], lớp phủ polyurea từ polyaspartic este với hàm lượng chất bay thấp, thời gian gel hóa 15-45 phút, có thể dùng phương pháp gia công lăn và quét. Hệ sơn gồm ba lớp bao gồm: lớp lót trên sơ sở nhựa epoxy, lớp trung gian trên cơ sở nhựa polyurea và lớp sơn phủ polyurea trên cơ sở polyaspartic este. 9 Trong công trình nghiên cứu [4], các tác giả đã nghiên cứu biến tính nhựa epoxy lỏng băng cacdanol và ứng dụng làm màng sơn lót bảo vệ thép với hệ bột màu oxyt sắt, cromat kẽm, bột talc và 1,5-2% phụ gia ức ché ăn mòn N,N’-Bis (o-hydroxy benziliden)-1,2-dietyleniamin đã làm tăng kha năng bảo vệ chống ăn mòn thép.
Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông Vận tải từ những năm 1995 đã liên tục nghiên cứu và chế tạo các hệ sơn như cao su clo hóa (tuổi thọ 5 năm), sơn epoxy va polyuretan (tudi thọ 10 năm) bao vệ các kết cầu thép chịu tác động của các điều kiện thời tiết khác nhau trong đó có môi trường biên khắc nghiệt. Các loại sơn được chế tạo trên cơ sở nhựa epoxy, polyuretan va acrylic với CaCOs va SiO, có tính chất vật lý, cơ lý, hóa lý, bảo vệ chống ăn mòn tốt, đáp ứng các chỉ tiêu chất lượng của sơn được chỉ định sử dụng trong ngành giao thông vận tải [19-21]. Trong nghiên cứu [22], nhóm nghiên cứu đã khảo sát khả năng ức chế ăn mòn thép của natri molipdat trong dung dịch nước trung tính (pH 7) và kiềm đặc (pH 11) trong khoảng nhiệt độ rộng từ 30°C đến 140°C. Nông độ natri molipdat 200 ppm là đủ để bảo vệ thép khỏi bị ăn mòn trong dung dịch nước trung tính có nhiệt độ cao từ 100°C đến 140°C.
Trong dung dịch kiềm đặc (pH 11), natri molipdat là chất gia tốc ăn mòn thép ở mọi nhiệt độ khảo sát. Trong công trình nghiên cứu [23], các tác giả đã nghiên cứu chế tạo lớp sơn phủ chống ăn mòn bảo vệ cho thép cacbon trên cơ sở nhựa polyuretan và các hợp chất photpho. Các kết qua cho thấy sự có mặt của axit photphoric và các hợp chất photpho đã làm tăng đáng kế kha năng chống ăn mòn bảo vệ thép. Viện Kỹ thuật Nhiệt đới đã có các nghiên cứu về các lớp phủ polyme nanocompozit trên cơ sở nhựa epoxy và polyuretan bảo vệ các công trình kim loại làm việc trong môi trường biến có tuổi thọ trên 5 năm.