Luận án TS: Vật liệu sơn chịu nhiệt trên cơ sở nhựa silicon và định hướng sử dụng

Nghiên cứu sơn chịu nhiệt trên cơ sở nhựa silicon. Luận án phân tích thành phần, tính chất vật liệu và định hướng ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp.

• Tác giả: Nguyễn Bá Ngọc
• Người hướng dẫn: GS.TS Nguyễn Văn Khôi
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
• Chuyên ngành: Hóa Hữu Cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Tổ Hợp Vật Liệu Sơn Chịu Nhiệt Trên Cơ Sở Nhựa Silicon Và Định Hướng Sử Dụng
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sỹ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Định nghĩa và đặc điểm của Sơn chịu nhiệt Silicon

Sơn chịu nhiệt silicon là một loại vật liệu phủ bề mặt tiên tiến được phát triển trên cơ sở nhựa silicon, có khả năng chống chịu các nhiệt độ cao và điều kiện môi trường khắc nghiệt. Loại sơn này được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, quốc phòng và công nghiệp nặng. Đặc điểm nổi bật của sơn silicon chịu nhiệt bao gồm độ bền cao, khả năng chống oxy hóa tuyệt vời và tính dính kết tốt với các bề mặt kim loại. Nhựa silicon trong thành phần sơn giúp tạo ra một lớp phủ bảo vệ liên tục, ngăn chặn sự xâm nhập của oxy và độ ẩm. Đây là lý do tại sao sơn chịu nhiệt được ưa chuộng trong các ứng dụng yêu cầu độ tin cậy cao và thời gian hoạt động dài hạn.

1.1. Thành phần chính của sơn silicon

Nhựa silicon là nền tảng chính của sơn chịu nhiệt, cung cấp độ ổn định nhiệt độ vượt trội. Bột nhũ nhôm được thêm vào để cải thiện tính dẫn nhiệt và tạo hiệu ứng phản xạ. Bột độn TiO₂ giúp tăng cường độ trắng và phản xạ nhiệt. Các phụ gia nanosilica và nano zirconi oxit đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao khả năng chịu nhiệt và độ bền cơ học của lớp phủ.

1.2. Nguyên lý chịu nhiệt của vật liệu silicon

Sơn chịu nhiệt silicon hoạt động dựa trên khả năng của nhựa silicon chịu đựng các dao động nhiệt mà không bị phân hủy. Liên kết Si-O trong cấu trúc polymer silicon có độ ổn định điện tử cao, cho phép vật liệu duy trì tính chất cơ học ngay cả ở nhiệt độ 250-300°C. Cơ cấu này giúp sơn chịu nhiệt không bị nứt, bong tróc hoặc mất độ bám dính dưới tác động nhiệt lâu dài.

II. Quy trình Nghiên cứu và Phát triển Sơn chịu nhiệt Silicon

Nghiên cứu sơn chịu nhiệt silicon là một lĩnh vực phức tạp đòi hỏi sự kết hợp giữa hóa học polymer, khoa học vật liệu và kỹ thuật ứng dụng. Theo luận án tiến sỹ của Nguyễn Bá Ngọc tại Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, quá trình phát triển sơn chịu nhiệt bao gồm nhiều giai đoạn từ chế tạo, xử lý bề mặt đến kiểm tra tính chất. Các nhà nghiên cứu đã tiến hành khảo sát kỹ lưỡng về ảnh hưởng của chiều dày màng sơn, điều kiện xử lý bề mặt và các phụ gia nano đến khả năng chịu nhiệt. Sơn silicon được phát triển thông qua các phương pháp sơn phủ hiện đại, đảm bảo chất lượng và tính đồng nhất của lớp phủ.

2.1. Biến tính bề mặt nanosilica và nano zirconi oxit

Biến tính nanosilica bằng polydimetyl siloxan (PDMS) là một kỹ thuật quan trọng để cải thiện khả năng kỵ nước của vật liệu. Quá trình biến tính này được thực hiện tại các nhiệt độ khác nhau để đạt được độ bền cao nhất. Nano zirconi oxit được xử lý tương tự để tăng cường khả năng chống oxy hóa. Các phụ gia nano này giúp sơn chịu nhiệt đạt được độ cứng vượt trội và khả năng chống ăn mòn hóa học.

2.2. Phương pháp kiểm tra khả năng chịu tác động môi trường

Sơn chịu nhiệt silicon phải vượt qua các bài kiểm tra khắc nghiệt bao gồm thử nghiệm môi trường mù muối, UV, dầu nhờn, axit và kiềm. Các phương pháp khảo sát tính chất sử dụng FE-SEM, XRD, EDX và TGA để xác định cấu trúc tinh thể, thành phần hóa học và độ ổn định nhiệt. Phương pháp phổ FTIR được dùng để phân tích các liên kết hóa học trong sơn chịu nhiệt.

III. Ứng dụng Thực tiễn của Sơn chịu nhiệt Silicon

Sơn chịu nhiệt silicon có ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp tiên tiến. Trong ngành hàng không vũ trụ, sơn chịu nhiệt được sử dụng để phủ vỏ động cơ phản lực và buồng cháy của động cơ nhiên liệu rắn. Lớp phủ gốm chịu nhiệt bảo vệ các cấu trúc thép khỏi sự xâm nhập của các khí nóng và môi trường oxy hóa. Tàu vũ trụ Buran của Liên Xô đã sử dụng sơn chịu nhiệt silicon để bảo vệ thân tàu khỏi nhiệt độ cực cao trong quá trình tái nhập khí quyển. Trong quốc phòng, sơn chịu nhiệt được áp dụng cho các đạn phản lực, động cơ CT-18 và các hệ thống chịu nhiệt khác. Ngành công nghiệp ôtô cũng sử dụng sơn silicon chịu nhiệt để bảo vệ động cơ và các thành phần bên trong.

3.1. Ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ

Sơn chịu nhiệt silicon được sơn phủ trên vỏ động cơ CT-18 và các cấu trúc động cơ phản lực để chịu nhiệt độ lên tới 300°C và cao hơn. Lớp phủ gốm chịu nhiệt bảo vệ buồng cháy khỏi các sản phẩm cháy có nhiệt độ cực cao. Độ dày màng sơn được tối ưu hóa để cân bằng giữa khả năng bảo vệ và trọng lượng.

3.2. Ứng dụng trong ngành quốc phòng và công nghiệp

Sơn chịu nhiệt bảo vệ các thành phần chính trong đạn phản lực và hệ thống chiến đấu. Khả năng chống ăn mòn hóa học của sơn silicon giúp kéo dài tuổi thọ thiết bị trong môi trường khắc nghiệt. Sơn chịu nhiệt silicon cũng được sử dụng trong các lò công nghiệp, hệ thống xả khí nóng và các thiết bị công nghiệp đòi hỏi bảo vệ bề mặt đặc biệt.

IV. Tương lai và Hướng phát triển của Sơn chịu nhiệt Silicon

Sơn chịu nhiệt silicon đang tiếp tục được nghiên cứu và cải tiến để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao của công nghiệp hiện đại. Các nhà khoa học đang tập trung vào việc nâng cao khả năng chịu nhiệt đến các mức độ cao hơn, giảm chi phí sản xuất và phát triển các phiên bản thân thiện với môi trường. Định hướng sử dụng sơn chịu nhiệt trong tương lai bao gồm các ứng dụng mới trong công nghiệp điện tử, năng lượng tái tạo và vận tải quốc phòng. Nghiên cứu về các phụ gia nano mới như graphene và các oxit kim loại khác hứa hẹn sẽ tạo ra những đột phá trong hiệu suất sơn silicon chịu nhiệt. Sự phát triển của sơn chịu nhiệt silicon không chỉ là lợi ích kinh tế mà còn đóng góp quan trọng vào tiến bộ khoa học công nghệ của đất nước.

4.1. Xu hướng nghiên cứu tương lai

Định hướng nghiên cứu sơn chịu nhiệt silicon tập trung vào phát triển các phụ gia chịu nhiệt mới và hiệu quả hơn. Các nhà khoa học đang khám phá khả năng sử dụng các vật liệu nano tiên tiến như graphene oxide, carbon nanotubes và các hợp chất lai khác. Sơn chịu nhiệt thế hệ mới được kỳ vọng sẽ chịu được nhiệt độ cao hơn 400°C với độ bền tốt hơn.

4.2. Ứng dụng mới và phát triển bền vững

Sơn chịu nhiệt silicon được xem là giải pháp quan trọng cho các công nghệ năng lượng sạch như pin nhiên liệu và tế bào quang điện mạnh. Phát triển sơn chịu nhiệt không độc hại môi trường là ưu tiên hàng đầu. Ứng dụng thực tiễn sẽ mở rộng sang các lĩnh vực y tế, công nghiệp thực phẩm và các ngành công nghiệp mới nổi.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Sơn chịu nhiệt là loại sơn có thể duy trì các đặc tính kỹ thuật ở nhiệt độ cao. Chúng cần thiết để bảo vệ nhiều sản phẩm và thiết bị hoạt động ở các chế độ nhiệt độ khắc nghiệt như: máy bay, tàu vũ trụ, động cơ phản lực, lò hơi, lò nung, các bộ phận và thành phần khác nhau của xe cộ, tàu hỏa,. Sự phát triển và cải tiến trong ngành sản xuất các loại sơn chịu nhiệt gắn liền với việc phát triển và tạo ra các vật liệu chịu nhiệt mới. Giống như việc phát triển máy bay với tốc độ siêu âm, tại đó nhiệt độ của lớp vỏ bọc đạt 150°C, chỉ có thể thực hiện được khi tạo ra các lớp phủ chịu nhiệt mới.

Sự phát triển của ngành công nghiệp điện gắn liền với sự phát triển các loại vật liệu chịu nhiệt và cách nhiệt mới. Ngày nay, yêu cầu về tính chất cách điện của vật liệu là phải làm việc lên đến 3 năm ở 150°C. Các yêu cầu cao hơn về độ ổn định nhiệt cũng được đặt ra đối với các vật liệu cho ngành công nghệ vũ trụ ở điều kiện nhiệt độ lên đến hàng nghìn độ. Theo báo cáo mới được công bố bởi tạp chí Fior Markets, thị trường sơn nước toàn cầu được dự đoán sẽ tăng từ 74,21 tỷ USD vào năm 2019 lên 106,34 tỷ USD vào năm 2027 với tốc độ tăng trưởng hàng năm là 4,6% trong giai đoạn dự báo 2020-2027.

Dưới tác động nhiệt lên màng polyme, bất kể hiệu ứng này đến từ chất nền hay từ bên ngoài, những thay đổi hóa học không thể đảo ngược trong polyme được đặc trưng bởi khả năng chịu nhiệt, xảy ra nhờ sự phá vỡ các liên kết phân tử và một phần là do tốc độ của các quá trình phản ứng. Ảnh hưởng quyết định đến khả năng chịu nhiệt là do cấu trúc của polyme, cấu trúc các chuỗi của chúng. Tùy theo cấu tạo và tính chất của nhóm nguyên tử mà các polyme có giá trị năng lượng phân ly các liên kết hóa học khác nhau, giá trị này càng cao thì polyme càng bền nhiệt. Trên thế giới và tại Việt Nam đã có một số nghiên cứu về chế tạo sơn chịu nhiệt với nhiều loại khác nhau, cả sơn vô cơ chịu nhiệt và sơn hữu cơ chịu nhiệt như các hãng sơn Nippon, Jotun, Lemax, sơn Hải Âu, sơn Đại Bàng,.

nhưng chưa có loại sơn chịu nhiệt nào sử dụng đồng thời các hạt nanosilica, nano zirconi oxit chưa biến tính và đã biến tính làm phụ gia chịu nhiệt. Chính vì vậy, sơn chịu nhiệt trên cơ sở nhựa silicon được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu trong luận án: “Nghiên 2 cứu tổ hợp vật liệu sơn chịu nhiệt trên cơ sở nhựa silicon và định hướng sử dụng”. Với mục tiêu “Chế tạo sơn chịu nhiệt trên cơ sở nhựa silicon và một số phụ gia chưa biến tính và đã biến tính bề mặt như nanosilica, nano zirconi oxit,… để áp dụng sơn phủ vào vỏ động cơ CT-18”. Giới thiệu về sơn chịu nhiệt Sơn chịu nhiệt là loại sơn đặc thù trong ngành sơn, chịu được tác động của nhiệt độ cao, giảm nhiệt lượng thoát ra môi trường bên ngoài và tránh sự ăn mòn, han gỉ cho vật dụng trong môi trường chịu ảnh hưởng nhiều về mặt nhiệt độ.

Sơn chịu nhiệt vừa là lớp sơn trang trí, vừa có tác dụng bảo vệ vật liệu được sơn ở nhiệt độ cao, ngoài ra còn có nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với những loại sơn thông thường khác. Sơn chịu nhiệt được phân chia thành loại sơn vô cơ và sơn hữu cơ dựa trên bản chất của chất tạo màng sử dụng trong lớp sơn phủ. So với sơn hữu cơ, sơn vô cơ có số lĩnh vực ứng dụng hạn chế hơn nhưng trong những lĩnh vực đó chúng tỏ ra vô cùng hiệu quả. Một đặc tính ưu việt của polyme vô cơ đó là các hệ tan trong nước, không chứa các dung môi hữu cơ dễ bay hơi – rất có lợi trong công tác bảo vệ môi trường.

Với khả năng chịu nhiệt độ cao, sơn vô cơ chịu nhiệt được sử dụng làm sơn phủ bảo vệ bề mặt các chi tiết, thiết bị kim loại khỏi ăn mòn ở nhiệt độ cao, trong môi trường xăng dầu hoặc các dung môi hữu cơ và chống cháy cho các công trình dân dụng và công nghiệp như đường ống dẫn khí nóng, khí thải công nghiệp, các ống xả xe hơi, xe gắn máy, các loại lò đốt, lò nung, tủ sấy,. Sơn hữu cơ chịu nhiệt là hỗn hợp polyme hữu cơ và các loại bột độn có khả năng chịu nhiệt độ cao bảo vệ bề mặt các chi tiết, sản phẩm hoạt động trong môi trường nhiệt độ cao khỏi các quá trình oxy hóa. Khả năng chịu nhiệt của lớp sơn phủ phụ thuộc rất nhiều vào khả năng chịu nhiệt của loại chất tạo màng sử dụng. Hiện nay, trên thị trường có các dòng sản phẩm sơn chịu nhiệt từ 250oC trở lên, dưới đây là bảng tổng hợp một số dòng sản phẩm sơn chịu nhiệt trên thị trường theo công bố của các nhà sản xuất (bảng 1.

Một số dòng sản phẩm sơn chịu nhiệt trên thị trường Nhiệt độ làm TT Tên sản phẩm Chất tạo màng Hãng sản xuất việc tối đa Công ty CP Kỹ SM5002 – Silver zinc 1 Nhựa epoxy thuật công nghệ 250oC coating spray Hoàn Cầu 4 2 Heat-Resisting paint Nhựa silicon Rainbow 500oC 3 Metatherm HR 300 Nhựa silicon Sơn Á Đông 300oC Sơn epoxy chịu nhiệt Tập đoàn sơn 4 Nhựa epoxy 600oC Kova KOVA 5 Sơn chịu nhiệt Nippon Nhựa silicon Nippon 600oC Gốc silicon 6 Sơn chịu nhiệt Jotun Jotun 600oC acrylic Công ty CPTM Hệ polyme vô cơ Sơn vô cơ chịu nhiệt – và SX Hóa chất 7 và các ôxit kim 1000oC BKV thiết bị Thịnh loại Quang 1. Sơn chịu nhiệt trên cơ sở nhựa silicon 1. Giới thiệu về nhựa silicon * Cấu trúc của nhựa silicon Nhựa silicon được tạo thành từ nguyên tố silic cùng với cacbon, hydro và oxy. Tên silicon được đề xuất vào năm 1901 bởi Kipping để mô tả các hợp chất mới có công thức chung là R 2 SiO.

Sau đó, các hợp chất này được xác định là polyme và tương ứng với polydialkylsiloxan, với công thức như sau [1]: CH3 CH3 H3C O O O CH3 R1 Si Si Si Si R3 H3C CH3 CH3 R2 x y Trong đó, R 1 , R 2 , R 3 là đại diện cho các nhóm metyl, phenyl, vinyl hoặc trifluoropropyl, metoxyl. Sự có mặt đồng thời của các nhóm chức hữu cơ (nhóm metyl, phenyl,.) gắn vào mạch chính vô cơ (-Si-O-) đã làm cho nhựa silicon có được sự kết hợp của nhiều tính chất đặc biệt. Các tính chất này của silicon bắt nguồn từ sự định vị của các electron dọc theo mạch chính của đại phân tử và phụ thuộc vào bản chất của các nhóm thế gắn vào mạch đại phân tử, cấu trúc và trọng lượng phân tử của polyme. Năng lượng liên kết Si-O lớn hơn rất nhiều so với năng lượng liên kết của nhóm C-C, điều này có ảnh hưởng sâu rộng đến sự ổn định và khả năng chống lại các tác động của silicon với nhiều ảnh hưởng khác nhau, cho phép nhựa silicon được sử 5 dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như hàng không vũ trụ (đặc tính chịu nhiệt độ thấp và chịu được nhiệt độ cao), điện tử (khả năng cách điện), trong lĩnh vực y tế và chăm sóc sức khỏe (do có khả năng tương thích sinh học tuyệt vời) hoặc được sử dụng trong ngành công nghiệp xây dựng (do khả năng chống chịu thời tiết tốt).

Trong mạch đại phân tử polysiloxan chỉ chứa các liên kết Si-O, đặc điểm liên kết Si-O quyết định chính đến các tính chất nhiệt của phân tử. Chiều dài của liên kết Si-O thường từ 1,61 Ao đến 1,67 Ao, dài hơn hầu hết các liên kết nguyên bản của các liên kết C-C phổ biến khác, đồng thời ngắn hơn tổng chiều dài bán kính nguyên tử Si (1,17 Ao) và nguyên tử Oxy (0,66 Ao). Do đó, đây không phải là liên kết σ bình thường, mà là liên kết phức tạp hơn. Liên kết này là liên kết phân cực, mang một phần liên kết ion, đây là kết quả của sự khác biệt tương đối lớn về độ âm điện của silicon (theo Pauling giá trị là 1,8) và các nguyên tử oxy (theo Pauling giá trị là 3,5).

Điều này dẫn đến tính chất ion của liên kết Si-O chiếm từ 37% đến 51% tùy thuộc vào phương trình thực nghiệm để tính toán. Ngoài ra có một phần liên kết đôi do sự chồng chéo một phần của obitan 3d năng lượng thấp, trống với quỹ đạo p của nguyên tử O. Sự khác biệt tương đối lớn về kích thước của nguyên tử tạo điều kiện để cặp electron chưa tham gia liên kết của nguyên tử oxy tham gia hình thành liên kết d ᴨ - p ᴨ cùng với sự hình thành của liên kết σ bình thường giữa 2 nguyên tử. Chính những tính chất cơ bản của liên kết siloxan trong mạch đại phân tử quyết định trực tiếp đến một số tính chất đặc trưng nhất của polysiloxan.

Trong đó, năng lượng liên kết Si-O (liên kết ion và liên kết đôi) ảnh hưởng trực tiếp đến các biến đổi hóa học và khả năng chịu nhiệt độ cao, còn độ dài liên kết Si-O là yếu tố chính quyết định đến độ mềm dẻo của polysiloxan ở nhiệt độ thấp [2]. Các liên kết ion và liên kết đôi của siloxan đều làm tăng lực liên kết giữa các nguyên tử silicon và oxy, năng lượng phân ly liên kết Si-O 108 kcal/mol, cao hơn đáng kể so với các liên kết C-C (82,6 kcal/mol) hay liên kết C-O (85,2 kcal/mol). Do đó, liên kết Si-O có thể chịu được nhiệt độ tiếp xúc cao hơn so với các liên kết thông thường trong các phân tử polyme hữu cơ khác, vì vậy các loại polysiloxan được coi là nhóm polyme thể hiện sự ổn định nhiệt cao hơn so với các polyme hữu cơ còn lại. * Tính chất nhiệt của nhựa silicon Tính chất nhiệt là một trong những tính chất đặc trưng nhất, đồng thời cũng 6 là tính chất công nghệ quan trọng hàng đầu của polysiloxan.

Chúng bao gồm sự kết hợp giữa mức độ đàn hồi cao trong điều kiện nhiệt độ thấp, đồng thời sự ổn định nhiệt cao và chống sự oxy hóa ở nhiệt độ cao. Các tính chất này của polysiloxan bắt nguồn từ sự tương tác cơ bản của các mắt xích trong mạch đại phân tử. Do đó, các tính chất này đều xuất hiện trong hầu hết các loại polyme silicon.