Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu ảnh hưởng của các hạt nano tới hình thái cấu trúc và tính chất bảo vệ chống ăn mòn của lớp phủ Epoxy

  • Số trang: 90 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 31 |
  • Lượt tải: 0
tailieuonline

Đã đăng 27372 tài liệu

Mô tả:

®¹i häc quèc gia hµ néi Tr-êng ®¹i häc khoa häc tù nhiªn  Ph¹m Minh Hoµng Nghiªn cøu ¶nh h-ëng cña c¸c h¹t nano tíi h×nh th¸i cÊu tróc vµ tÝnh chÊt b¶o vÖ chèng ¨n mßn cña líp phñ epoxy LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc Hµ Néi - 2011 ®¹i häc quèc gia hµ néi Tr-êng ®¹i häc khoa häc tù nhiªn  Ph¹m Minh Hoµng Nghiªn cøu ¶nh h-ëng cña c¸c h¹t nano tíi h×nh th¸i cÊu tróc vµ tÝnh chÊt b¶o vÖ chèng ¨n mßn cña líp phñ epoxy Chuyªn ngµnh: Hóa lí thuyết và Hóa lí M· sè: 60 44 31 LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc Ng-êi h-íng dÉn khoa häc TS. NGUYÔN TUÊN ANH Hµ Néi - 2010 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 Chương 1 TỔNG QUAN ..................................................................... 3 1.1. ¡N MßN KIM LO¹I vµ c¸c ph-¬ng ph¸p b¶o vÖ chèng ¨n mßn kim lo¹i .................................................................................................... 3 1.1.1. ¨n mßn kim lo¹i ........................................................................... 3 1.1.2. C¸c biÖn ph¸p b¶o vÖ kim lo¹i chèng ¨n mßn ®iÖn hãa ........................... 6 1.2. NHùA EPOXY vµ øng dông.................................................................. 15 1.2.1 Tæng quan vÒ nhùa epoxy ....................................................................... 15 1.2.2 øng dông cña nhùa epoxy ....................................................................... 22 1.3. LíP PHñ EPOXY vµ epoxy NANOCOMPOZIT .................................. 23 1.3.1. H¹n chÕ cña líp phñ epoxy .................................................................... 23 1.3.2. ¦u ®iÓm cña líp phñ epoxy nanocompozit ........................................... 23 1.4. ph-¬ng ph¸p ®o phæ tæng trë ®iÖn ho¸ vµ øng dông ®Ó ®¸nh gi¸ kh¶ n¨ng b¶o vÖ cña líp phñ .......................................... 24 1.4.1. C¬ së ph-¬ng ph¸p phæ tæng trá ®iÖn hãa EIS [17] ............................... 24 1.4.2. ¸p dông ph-¬ng ph¸p ®o phæ tæng trë ®iÖn hãa ®Ó nghiªn cøu líp phñ b¶o vÖ kim lo¹i [17,21].......................................................................................... 26 Ch-¬ng 2 THùC NGHIÖM ............................................................... 33 2.1. VËT LIÖU Vµ HãA CHÊT .......................................................................... 33 2.2. CHUÈN BÞ BÒ MÆT C¸C MÉU THÐP NÒN............................................. 33 2.3. CHÕ T¹O C¸C LíP PHñ Tõ NHùA EPOXY X75 ................................... 35 2.3.1. X¸c ®Þnh hµm l-îng kh« cña nhùa ........................................................ 35 2.3.2. X¸c ®Þnh ®é nhít cña dung dÞch phñ b»ng phÔu ch¶y ........................... 36 2.4. CHÕ T¹O C¸C LíP PHñ EPOXY Vµ EPOXY NANOCOMPOZIT TR£N MÉU THÐP ............................................................................................... 38 2.5. §O §é DµY LíP PHñ ................................................................................ 39 2.5.1. Giíi thiÖu thiÕt bÞ ®o [29] ....................................................................... 39 2.5.2. KÕt qu¶ ®o .............................................................................................. 39 2.6. NGHI£N CøU H×NH TH¸I CÊU TRóC c¸c LíP PHñ .......................... 40 2.7. thö nghiÖm mï muèi ............................................................................ 42 2.7.1. Giíi thiÖu ph-¬ng ph¸p .......................................................................... 42 2.7.2. ThiÕt bÞ vµ ®iÒu kiÖn thö nghiÖm ........................................................... 43 2.8. §¸nh gi¸ kh¶ n¨ng b¶o vÖ ¨n mßn cho thÐp cña líp phñ epoxy nanocompozit b»ng ph-¬ng ph¸p phæ tæng trë ........ 44 2.8.1. ThiÕt bÞ vµ ®iÒu kiÖn thÝ nghiÖm ............................................................ 44 2.8.2. C¸c m« h×nh m¹ch ®iÖn t-¬ng ®-¬ng ¸p dông cho ph©n tÝch phæ tæng trë cña kim lo¹i cã vµ kh«ng cã líp phñ b¶o vÖ [17,21] ....................................... 46 Ch-¬ng 3 KÕT QU¶ Vµ TH¶O LUËN .......................................... 52 3.1. ¶nh h-ëng cña c¸c h¹t nano ®Õn h×nh th¸I cÊu tróc cña líp phñ epoxy nanocompozit ..................................................... 52 3.1.1. ¶nh TEM cña c¸c mÉu epoxy nanocompozit t¹i c¸c vÞ trÝ líp phñ ®ång nhÊt ....................................................................................................................... 52 3.1.2. ¶nh TEM cña c¸c mÉu epoxy nanocompozit t¹i c¸c vïng khuyÕt tËt cña líp phñ ................................................................................................................... 56 3.2. kÕt qu¶ thö nghiÖm mï muèi ......................................................... 62 3.3. ¶nh h-ëng cña c¸c h¹t nano ®Õn kh¶ n¨ng b¶o vÖ chèng ¨n mßn cho thÐp cña líp phñ ................................................ 66 3.3.1. Kh¶ n¨ng b¶o vÖ cho thÐp cña líp phñ epoxy ........................................ 70 3.2.2. Kh¶ n¨ng b¶o vÖ cho thÐp cña líp phñ epoxy nanocompozit ................ 73 KÕT LUËN ......................................................................................... 76 TµI LIÖU THAM KH¶O ................................................................. 77 DANH MôC H×NH Ch-¬ng 1 Tæng Quan H×nh 1.1: Gi¶m ®å Pourbaix E(V)-pH cho Fe/H20 t¹i 25oC [38] ...................... 10 H×nh 1.2: B¶o vÖ catèt b»ng dßng ®iÖn ngoµi vµ anèt hy sinh ........................... 10 H×nh 1.3: CÊu tróc nhãm epoxy hay oxiran ...................................................... 15 H×nh 1.4: CÊu tróc cña nhùa epoxy .................................................................... 15 H×nh 1.5: Mèi quan hÖ gi÷a kh¶ n¨ng b¸m dÝnh cao cña nhùa epoxy vµ sè nhãm hydroxyl trong ph©n tö cña nã ................................................................. 16 H×nh 1.6: ThÕ xoay chiÒu vµ dßng xoay chiÒu lÖch pha .................................... 24 H×nh 1.7: Gi¶n ®å Nyquist víi vect¬ trë kh¸ng ................................................. 25 H×nh 1.8: M« h×nh m¹ch ®iÖn t-¬ng ®-¬ng phæ biÕn nhÊt [17,21].................... 27 Ch-¬ng 2 THùC NGHIÖM H×nh 2.1: C¸c mÉu thÐp ®-îc c¾t theo kÝch th-íc 5×5 cm ............................... 34 H×nh 2.2: M¸y c¾t dËp thÐp ................................................................................ 34 H×nh 2.3: B¶o qu¶n c¸c mÉu thÐp sau khi ®· chuÈn bÞ bÒ mÆt tr-íc khi s¬n phñ ...................................................................................................................... 35 H×nh 2.4: §o ®é nhít cña dung dÞch s¬n: a) phÔu VZ4, b) dông cô ®o ............. 36 H×nh 2.5: C¸c mÉu thÐp ®-îc phñ bëi c¸c líp epoxy vµ epoxy nanocompozit ..................................................................................................... 38 H×nh 2.6 ThiÕt bÞ ®o ®é dµy Minites 600 ........................................................... 39 H×nh 2.7: §óc mÉu epoxy nanocompozit trªn con nhéng ®Ó c¾t l¸t ................. 40 H×nh 2.8: M¸y c¾t l¾t siªu máng (Ultracut E, Leica) ......................................... 41 H×nh 2.9: C¸c mÉu trªn l-íi Nikel cã mµng collodion-c¸c bon........................ 41 H×nh 2.10: KÝnh hiÓn vi ®iÖn tö truyÒn qua (JEM1010, JEOL, NhËt B¶n) ........ 42 H×nh 2.11: ThiÕt bÞ thö nghiÖm mï muèi S1000 WEISS-Technik..................... 43 H×nh 2.12: ThiÕt bÞ AUTOLAB PGSTAT 30 cña h·ng Ecochemie ................... 45 H×nh 2.13: Kim lo¹i trÇn ®-îc ng©m trong dung dÞch chÊt ®iÖn li .................... 46 H×nh 2.14: M¹ch ®iÖn t-¬ng ®-¬ng øng víi h×nh 2.13 ...................................... 46 H×nh 2.15: Phæ tæng trë cña kim lo¹i trÇn trong dung dÞch chÊt ®iÖn li............. 47 H×nh 2.16: Kim lo¹i cã líp phñ hoµn h¶o ng©m trong dung dÞch chÊt ®iÖn li ... 47 H×nh 2.17: M¹ch ®iÖn t-¬ng ®-¬ng øng víi h×nh 2.16 ...................................... 47 H×nh 2.18: Phæ tæng trë cña kim lo¹i cã líp phñ hoµn h¶o ng©m trong dung dÞch chÊt ®iÖn li .................................................................................................. 48 H×nh 2.19: Kim lo¹i cã líp phñ sai háng ë giai ®o¹n 1 ng©m trong dung dÞch chÊt ®iÖn li. ................................................................................................. 49 H×nh 2.20: M¹ch ®iÖn t-¬ng ®-¬ng øng víi h×nh 2.19 ...................................... 49 H×nh 2.21: Phæ tæng trë cña kim lo¹i cã líp phñ sai háng ë giai ®o¹n 1 ng©m trong dung dÞch chÊt ®iÖn li ...................................................................... 49 H×nh 2.22: Kim lo¹i cã líp phñ bÞ sai háng ë giai ®o¹n 2 ng©m trong dung dÞch chÊt ®iÖn li .................................................................................................. 50 H×nh 2.23: M¹ch ®iÖn t-¬ng ®-¬ng øng víi h×nh 2.22 ...................................... 50 H×nh 2.24: Phæ tæng trë cña kim lo¹i cã líp phñ sai háng ë giai ®o¹n 2 ng©m trong dung dÞch chÊt ®iÖn li ...................................................................... 51 Ch-¬ng 3 KÕT QU¶ Vµ TH¶O LUËN H×nh 3.1: ¶nh TEM cña líp phñ epoxy kh«ng cã h¹t nan« (  120 000 lÇn) ..... 54 H×nh 3.2: ¶nh TEM cña líp phñ epoxy chøa h¹t nan« Fe2O3(  120 000 lÇn) ... 54 H×nh 3.3: ¶nh TEM cña líp phñ epoxy chøa h¹t nan« SiO2(  150 000 lÇn) ..... 55 H×nh 3.4: ¶nh TEM cña líp phñ epoxy chøa h¹t nan« ZnO (  80 000 lÇn) ...... 55 H×nh 3.5: ¶nh TEM cña líp phñ epoxy chøa h¹t nan« TiO2 (  80 000 lÇn) ...... 56 H×nh 3.6: ¶nh TEM cña líp phñ epoxy kh«ng cã h¹t nan« t¹i vÞ trÝ cã khuyÕt tËt (  80 000 lÇn) .................................................................................... 58 H×nh 3.7: ¶nh TEM cña líp phñ epoxy cã h¹t nan« Fe2O3 t¹i vÞ trÝ cã khuyÕt tËt (  80 000 lÇn) .................................................................................... 59 H×nh 3.8: ¶nh TEM cña líp phñ epoxy cã h¹t nan« Fe2O3 t¹i vÞ trÝ cã khuyÕt tËt (  80 000 lÇn) .................................................................................... 59 H×nh 3.9: ¶nh TEM cña líp phñ epoxy cã h¹t nan« ZnO t¹i vÞ trÝ cã khuyÕt tËt (  100 000 lÇn) .................................................................................. 60 H×nh 3.10: ¶nh TEM cña líp phñ epoxy cã h¹t nan« TiO2 t¹i vÞ trÝ cã khuyÕt tËt (  80 000 lÇn) .................................................................................... 60 H×nh 3.11: mÉu thÐp cã líp phñ vµ vÕt r¹ch tr-íc khi thö nghiÖm .................... 62 H×nh 3.12: Líp phñ epoxy sau 24 giê thö nghiÖm (a) vµ 48 giê thö nghiÖm (b) .......................................................................................................... 62 H×nh 3.13: Líp phñ epoxy + TiO2 sau 24 giê thö nghiÖm (a) vµ 48 giê thö nghiÖm (b) ......................................................................................................... 63 H×nh 3.14: Líp phñ epoxy + SiO2 sau 24 giê thö nghiÖm (a) vµ 48 giê thö nghiÖm (b) ......................................................................................................... 63 H×nh 3.15: Líp phñ epoxy + ZnO sau 24 giê thö nghiÖm (a) vµ 48 giê thö nghiÖm (b) ......................................................................................................... 63 H×nh 3.16: Líp phñ epoxy + Fe2O3 sau 24 giê thö nghiÖm (a) vµ 48 giê thö nghiÖm (b) ......................................................................................................... 64 H×nh 3.17: Phæ tæng trë Nyquist sau 2 giê vµ 1 tuÇn ng©m mÉu thÐp trÇn trong dung dÞch 3,5% NaCl ................................................................................ 66 H×nh 3.18: Phæ tæng trë Nyquist sau 2 giê, 1 tuÇn vµ 8 tuÇn ng©m mÉu epoxy/thÐp trong dung dÞch 3,5% NaCl ............................................................. 67 H×nh 3.19: Phæ tæng trë Nyquist sau 2 giê, 1 tuÇn vµ 8 tuÇn ng©m mÉu epoxy/nan« Fe2O3/thÐp trong dung dÞch 3,5% NaCl .......................................... 67 H×nh 3.20: Phæ tæng trë Nyquist sau 2 giê, 1 tuÇn vµ 8 tuÇn ng©m mÉu epoxy/nan« SiO2/thÐp trong dung dÞch 3,5% NaCl ............................................ 68 H×nh 3.21: Phæ tæng trë Nyquist sau 2 giê, 1 tuÇn vµ 8 tuÇn ng©m mÉu epoxy/nan« TiO2/thÐp trong dung dÞch 3,5% NaCl............................................ 68 H×nh 3.22: Phæ tæng trë Nyquist sau 2 giê, 1 tuÇn vµ 8 tuÇn ng©m mÉu epoxy/nan« ZnO/thÐp trong dung dÞch 3,5% NaCl ............................................ 69 H×nh 3.23: Sù biÕn thiªn ®iÖn thÕ hë m¹ch cña thÐp theo thêi gian ng©m trong dung dÞch NaCl 3,5 % khi cã hay kh«ng cã c¸c líp phñ .......................... 70 H×nh 3.24: Sù biÕn thiªn ®iÖn trë Rpo cña líp phñ epoxy theo thêi gian ng©m trong dung dÞch 3,5 % NaCl, khi kh«ng cã h¹t nan« vµ cã h¹t nan« SiO2 vµ TiO2 ....................................................................................................... 72 H×nh 3.25: Sù biÕn thiªn ®iÖn dung líp phñ epoxy theo thêi gian ng©m trong dung dÞch NaCl 3,5 %, khi kh«ng cã h¹t nan« vµ cã h¹t nan« SiO2 vµ TiO2 .................................................................................................................... 73 DANH MôC b¶ng Ch-¬ng 1 Tæng Quan B¶ng 1.1: Gi¸ trÞ thÕ ¨n mßn Ecorr (so víi ®iÖn cùc chuÈn hydro NHE) cña mét sè kim lo¹i trong n-íc biÓn nh©n t¹o ë 25oC ............................................... 5 B¶ng 1.2: Thêi gian ®ãng r¾n hoµn toµn cña nhùa epoxy víi c¸c t¸c nh©n ®ãng r¾n kh¸c nhau [13]..................................................................................... 20 B¶ng 1.3: C¸c amin th«ng dông cho qu¸ tr×nh ®ãng r¾n nhùa epoxy [11] ........ 21 B¶ng 1.4: ¶nh h-ëng cña nhiÖt ®é ®ãng r¾n ®Õn kh¶ n¨ng kÕt dÝnh cña epoxyDGEBA víi hai amin bÐo kh¸c nhau [23] ................................................ 22 Ch-¬ng 2 THùC NGHIÖM B¶ng 2.1: KÕt qu¶ ®o ®é dµy líp phñ epoxy ...................................................... 39 Ch-¬ng 3 KÕT QU¶ Vµ TH¶O LUËN B¶ng 3.1: Tæng hîp kÝch th-íc vµ diÖn tÝch bÒ mÆt riªng cña c¸c h¹t oxit nan« .................................................................................................................... 53 DANH MôC ch÷ viÕt t¾c trong luËn v¨n EIS: Electrochemical Impedance Spectroscopy CPE: Constant Phase Element Më §ÇU ¡n mßn kim lo¹i lµ lÜnh vùc ®Æc biÖt quan t©m cña c¸c quèc gia trªn thÕ giíi bëi nh÷ng thiÖt h¹i to lín do nã g©y ra. NÕu kh«ng cã nh÷ng biÖn ph¸p thÝch øng ®Ó b¶o vÖ chèng ¨n mßn, nh÷ng tai n¹n th¶m khèc cã thÓ x¶y ra do cÇu g·y, nhµ sËp, r¬i m¸y bay, næ lß h¬i n-íc… MÆc dï ®· cã nhiÒu ®Çu t- vµo nghiªn cøu chèng ¨n mßn, nh-ng tæn thÊt bëi ¨n mßn, dï trùc tiÕp hay gi¸n tiÕp, vÉn ë møc 3% ®Õn 5% tæng s¶n l-îng quèc d©n t¹i c¸c n-íc ph¸t triÓn. ChØ riªng t¹i Mü, tæn thÊt nµy lµ h¬n 100 tû USD vµo n¨m 2000. Mét thùc tÕ lµ trªn thÕ giíi, gÇn mét nöa thÐp ®-îc s¶n xuÊt ra hiÖn nay lµ ®-îc dïng ®Ó thay thÕ cho c¸c cÊu tróc bÞ h- háng. V× thÕ viÖc b¶o vÖ chèng ¨n mßn lµ rÊt cÇn thiÕt, nhÊt lµ khi n-íc ta ë trong vïng khÝ hËu nhiÖt ®íi víi bê biÓn dµi h¬n 3000 km. ¡n mßn kim lo¹i lµ mét qu¸ tr×nh tù nhiªn theo ®óng quy luËt cña nhiÖt ®éng häc. §ã lµ qu¸ tr×nh biÕn kim lo¹i thµnh oxit cña chÝnh nã. Ng-êi ta còng gäi qu¸ tr×nh ¨n mßn kim lo¹i lµ qu¸ tr×nh luyÖn kim ng-îc, víi luyÖn kim lµ biÕn oxit kim lo¹i (tõ quÆng má) thµnh kim lo¹i. Do ¨n mßn kim lo¹i lµ mét qu¸ tr×nh kh«ng thÓ tr¸nh khái theo quy luËt tù nhiªn, chóng ta kh«ng thÓ lµm g× h¬n lµ chÊp nhËn nh- mét thùc t¹i vµ tËp trung vµo viÖc chÕ ngù ¨n mßn b»ng c¸ch lµm chËm l¹i tèc ®é hay thay ®æi c¬ chÕ ¨n mßn. Cã nhiÒu c¸ch ®Ó b¶o vÖ chèng ¨n mßn kim lo¹i. C¸ch ®¬n gi¶n vµ th«ng th-êng nhÊt lµ che phñ kim lo¹i b»ng mét líp s¬n nh»m c¸ch ly kim lo¹i vµ ng¨n chÆn sù x©m nhËp cña c¸c t¸c nh©n g©y ¨n mßn tõ m«i tr-êng bªn ngoµi. Epoxy ®-îc sö dông réng r·i lµm líp phñ b¶o vÖ chèng ¨n mßn cho kim lo¹i nhê c¸c ®Æc tÝnh nh- dÔ gia c«ng, rÊt bÒn ho¸ häc, c¸ch ®iÖn tèt vµ b¸m dÝnh tèt víi bÒ mÆt c¸c vËt liÖu kh«ng ®ång nhÊt .Tuy nhiªn, kh¶ n¨ng øng dông cña líp phñ epoxy bÞ h¹n chÕ bëi kh¶ n¨ng chÞu mµi mßn cña nã. §ång thêi nã l¹i kÐm ng¨n ngõa sù ph¸t sinh vµ lan truyÒn c¸c vÕt nøt xuÊt hiÖn bªn trong lßng líp phñ. H¬n n÷a, do b¶n chÊt -a n-íc nªn c¸c líp phñ epoxy cã Trang 1 ®é co ngãt thÓ tÝch kh¸ lín khi ®ãng r¾n vµ cã thÓ hÊp thô c¸c ph©n tö n-íc ë m«i tr-êng l©n cËn. Ngoµi ra, c¸c lç rçng bªn trong líp phñ epoxy cã thÓ thóc ®Èy sù di chuyÓn cña n-íc vµ c¸c ho¸ chÊt kh¸c tíi bÒ mÆt kim lo¹i ®Ó ph¸t sinh ¨n mßn bÒ mÆt kim lo¹i vµ lµm bong trãc líp phñ. Mét gi¶i ph¸p tiªn tiÕn nh»m n©ng cao ®é bÒn chèng ¨n mßn vµ c¬ tÝnh cña líp phñ epoxy lµ tiÕn hµnh ph©n t¸n c¸c h¹t v« c¬ kÝch th-íc nan« vµo trong nhùa epoxy, ®Ó t¹o thµnh vËt liÖu nanocompozit. Víi hy väng lµm s¸ng tá thªm qu¸ tr×nh t-¬ng t¸c gi÷a c¸c h¹t nan« víi nÒn nhùa epoxy, t«i ®· lùa chän ®Ò tµi nghiªn cøu cã tªn lµ: “Nghiªn cøu ¶nh h-ëng cña c¸c h¹t nan« tíi h×nh th¸i cÊu tróc vµ tÝnh chÊt b¶o vÖ chèng ¨n mßn cña líp phñ epoxy ”.  Môc tiªu nghiªn cøu: Nghiªn cøu ¶nh h-ëng cña c¸c h¹t nan« tíi h×nh th¸i cÊu tróc vµ tÝnh chÊt b¶o vÖ chèng ¨n mßn cho thÐp cña líp phñ epoxy.  Néi dung nghiªn cøu: - Nghiªn cøu chÕ t¹o c¸c hÖ líp phñ epoxy nanocompozit trªn nÒn thÐp. - Nghiªn cøu h×nh th¸i cÊu tróc cña c¸c hÖ líp phñ epoxy nanocompozit. - Nghiªn cøu kh¶ n¨ng b¶o vÖ chèng ¨n mßn cho thÐp cña c¸c hÖ líp phñ epoxy nanocompozit.  Ph-¬ng ph¸p nghiªn cøu: - Nghiªn cøu quy tr×nh c«ng nghÖ chÕ t¹o líp phñ epoxy nanocompozit, sö dông 4 lo¹i h¹t oxit nan« kh¸c nhau (SiO2, Fe2O3, TiO2, ZnO). - Nghiªn cøu h×nh th¸i cÊu tróc cña c¸c hÖ líp phñ epoxy nanocompozit b»ng kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö truyÒn qua. - Nghiªn cøu kh¶ n¨ng b¶o vÖ chèng ¨n mßn cho thÐp cña c¸c hÖ líp phñ epoxy nanocompozit b»ng ph-¬ng ph¸p tæng trë ®iÖn hãa trong dung dÞch chøa 3.5% NaCl vµ ph-¬ng ph¸p thö nghiÖm mï muèi. Trang 2 Ch-¬ng 1 TæNG QUAN 1.1. ¡N MßN KIM LO¹I vµ c¸c ph-¬ng ph¸p b¶o vÖ chèng ¨n mßn kim lo¹i 1.1.1. ¡n mßn kim lo¹i 1.1.1.1 HiÖn t-îng ¨n mßn kim lo¹i ¡n mßn kim lo¹i lµ qu¸ tr×nh tù ph¸ hñy kim lo¹i, do t¸c ®éng hãa häc hay ®iÖn hãa häc cña m«i tr-êng x©m thùc xung quanh, ®Ó chuyÓn kim lo¹i sang d¹ng bÒn nhiÖt ®éng lùc ë d¹ng c¸c hîp chÊt cña nã, nh- oxit, hidroxit, muèi [3, 8]. Khi kim lo¹i M nhóng trong mét dung dÞch chÊt ®iÖn li, t¹i mét thêi ®iÓm nhÊt ®Þnh, xuÊt hiÖn mét ®iÖn thÕ gäi lµ thÕ ¨n mßn Ecorr, ®Æc tr-ng bëi c¸c ph¶n øng ®iÖn ho¸ diÔn ra trªn bÒ mÆt ®iÖn cùc nh- sau:  Ph¶n øng an«t: ®Æc tr-ng cho qu¸ tr×nh oxy ho¸ kim lo¹i: M Mn+ + ne- (1)  Ph¶n øng cat«t: ®Æc tr-ng cho qu¸ tr×nh khö cña mét chÊt oxy ho¸. Cã thÓ lµ mét trong hai ph¶n øng sau ®©y: - Khö oxy hßa tan: O2 +2H2O +4e-  4OH- (2) (m«i tr-êng trung tÝnh hoÆc baz¬, tho¸ng khÝ) O2 + 4H+ + 4e-  2H2O (3) (m«i tr-êng axit tho¸ng khÝ) - HoÆc lµ gi¶i phãng hy®r«: 2H+ + 2e-  H2 (4) (m«i tr-êng axit kh«ng tho¸ng khÝ) Qu¸ tr×nh ¨n mßn lµ tæng cña hai qu¸ tr×nh an«t vµ cat«t vµ t¹o ra c¸c s¶n phÈm ¨n mßn. Do qu¸ tr×nh ¨n mßn diÔn ra t¹i dßng ®iÖn tæng céng b»ng kh«ng, nªn c¸c qu¸ tr×nh an«t vµ cat«t sÏ diÔn ra víi vËn tèc nh- nhau. §Ó lµm chËm qu¸ tr×nh ¨n mßn, chóng ta chØ cÇn ng¨n c¶n mét trong hai qu¸ tr×nh ®ã. Trang 3 1.1.1.2. Ph©n lo¹i ¨n mßn kim lo¹i Ng-êi ta ph©n lo¹i ¨n mßn kim lo¹i theo nhiÒu c¸ch kh¸c nhau phô thuéc vµo m«i tr-êng, d¹ng vµ c¬ chÕ ¨n mßn. 1.1.1.2.1. Ph©n lo¹i theo m«i tr-êng sö dông ¡n mßn kim lo¹i ®-îc ph©n theo m«i tr-êng ¨n mßn tù nhiªn (khÝ quyÓn, ®Êt vµ n-íc biÓn) vµ c«ng nghiÖp (nhµ m¸y hãa chÊt, hÇm má, dÇu khÝ...). 1.1.1.2.2. Ph©n lo¹i theo ®Æc tr-ng ph¸ hñy Theo c¸ch ph©n lo¹i nµy, ¨n mßn kim lo¹i ®-îc ph©n lo¹i theo hai d¹ng: ¨n mßn ®Òu vµ ¨n mßn côc bé. a. ¡n mßn ®Òu D¹ng ¨n mßn nµy rÊt phæ biÕn víi nh÷ng ®Æc ®iÓm sau: tèc ®é ¨n mßn ë mäi chç trªn bÒ mÆt gÇn b»ng nhau. VÝ dô thÐp ®Æt trong m«i tr-êng H2SO4. §Ó ®¸nh gi¸ tèc ®é ¨n mßn nµy ng-êi ta th-êng dùa vµo sù thay ®æi khèi l-îng (g/cm2.giê) hoÆc dùa vµo ®é gi¶m chiÒu dµy cña mÉu thÝ nghiÖm mm/n¨m hoÆc mA/cm2. b. ¡n mßn côc bé [9] D¹ng ¨n mßn nµy x¶y ra -u tiªn t¹i mét sè phÇn diÖn tÝch bÒ mÆt kim lo¹i tiÕp xóc víi m«i tr-êng ¨n mßn. HiÖn t-îng ¨n mßn côc bé còng rÊt phæ biÕn vµ rÊt ®a d¹ng, cã thÓ chia thµnh c¸c lo¹i sau:  ¡n mßn tiÕp xóc ®iÓm (cßn gäi lµ ¨n mßn Ganvanic) Khi cã hai kim lo¹i kh¸c nhau tiÕp xóc víi nhau hoÆc hîp kim cã thµnh phÇn kh¸c nhau tiÕp xóc víi m«i tr-êng chÊt ®iÖn li sinh ra hiÖn t-îng ¨n mßn tiÕp xóc. Qu¸ tr×nh ¨n mßn diÔn ra nh- lµ sù ho¹t ®éng cña mét pin ®iÖn khÐp kÝn m¹ch. Tèc ®é ¨n mßn phô thuéc vµo hiÖu ®iÖn thÕ ¨n mßn (b¶ng 1.1) cña hai kim lo¹i trong dung dÞch chÊt ®iÖn li vµ ngoµi ra nã cßn phô thuéc vµo mét sè yÕu tè kh¸c nh- ®iÖn trë cña dung dÞch chÊt ®iÖn li, pH, nhiÖt ®é m«i tr-êng. Trang 4 B¶ng 1.1: Gi¸ trÞ thÕ ¨n mßn Ecorr (so víi ®iÖn cùc chuÈn hydro NHE) cña mét sè kim lo¹i trong n-íc biÓn nh©n t¹o ë 25oC Kim lo¹i Ni E¨m(NHE) 0,046 Cu 0,01 ThÐp Cacbon -0,035 Al 99% Zn Mg -0,667 -0,809 -1,355  Sù ¨n mßn kim lo¹i do sù chªnh lÖch khÝ Mét vÝ dô minh ho¹ cho d¹ng ¨n mßn nµy lµ c¸c èng thÐp ®-îc ®Æt trong n-íc biÓn (hay trong lßng ®Êt). Trong tr-êng hîp nµy, kim lo¹i (Fe) ®Æt trong dung dÞch NaCl, víi sù chªnh lÖch nång ®é khÝ O2 hßa tan t¹i hai vïng trªn bÒ mÆt kim lo¹i. T¹i ®ã nång ®é oxi cña kh«ng khÝ hßa tan vµo n-íc ë vïng gÇn mÆt n-íc cao h¬n trong thÓ tÝch. VËy mçi vïng nµy lµ mét pin ¨n mßn mµ sù hßa tan kim lo¹i g¾n kiÒn víi sù khö oxi. Do chªnh lÖch ¸p suÊt khÝ, nªn tèc ®é ¨n mßn ®iÖn cùc cña mçi pin lµ kh¸c nhau. M¹ch pin cña hÖ nµy, víi mçi pin lµ 1 ®iÖn cùc s¾t (catèt) vµ 1 ®iÖn cùc oxi (catèt) cã thÓ ®-îc m« pháng nh- sau: Fe(O2)2/NaCl/Fe...Fe/NaCl/(O2)1Fe Trong ®ã ¸p suÊt khÝ O2 (kh«ng khÝ) P(O )  P(O ) . 2 2 2 1 HiÖn t-îng ¨n mßn khÝ th-êng x¶y ra trong c¸c tr-êng hîp nh-: ¨n mßn khe, ¨n mßn t¹i vïng mín n-íc vµ ¨n mßn do l¾ng ®äng. 1.1.1.2.3. Ph©n lo¹i theo c¬ chÕ ¨n mßn Theo c¬ chÕ ¨n mßn, ng-êi ta chia lµm hai lo¹i: ¨n mßn hãa häc vµ ¨n mßn ®iÖn hãa häc. a. ¡n mßn hãa häc ¡n mßn hãa häc lµ sù ph¸ hñy kim lo¹i bëi ph¶n øng hãa häc dÞ thÓ khi bÒ mÆt kim lo¹i tiÕp xóc víi m«i tr-êng g©y ¨n mßn, khi ®ã kim lo¹i bÞ chuyÓn Trang 5 thµnh ion kim lo¹i ®i vµo m«i tr-êng trong cïng mét giai ®o¹n. VÝ dô qu¸ tr×nh oxi hãa kim lo¹i b»ng khÝ oxi xÈy ra ë nhiÖt ®é cao (hoÆc c¸c khÝ kh¸c: SO2; H2S; c¸c khÝ halogen, h¬i n-íc...). b. ¡n mßn ®iÖn hãa häc ¡n mßn ®iÖn hãa häc lµ sù ph¸ hñy kim lo¹i bëi qu¸ tr×nh t-¬ng t¸c cña m«i tr-êng ¨n mßn víi bÒ mÆt kim lo¹i theo c¬ chÕ ®iÖn hãa. Qu¸ tr×nh ph¸ hñy kim lo¹i theo c¬ chÕ nµy kh«ng ph¶i xÈy ra trong mét giai ®o¹n mµ nã th-êng gåm nhiÒu giai ®o¹n vµ t¹i nhiÒu vÞ trÝ kh¸c nhau trªn bÒ mÆt kim lo¹i. HiÖn t-îng ¨n mßn ®iÖn hãa häc xÈy ra bao giê còng cã hai lo¹i ph¶n øng g¾n liÒn víi nhau. Ph¶n øng anèt øng víi sù ph¸ hñy kim lo¹i vµ ph¶n øng catèt øng víi sù khö chÊt oxi hãa. 1.1.2. C¸c biÖn ph¸p b¶o vÖ chèng ¨n mßn ®iÖn hãa Nghiªn cøu c¸c biÖn ph¸p chèng ¨n mßn kim lo¹i nh»m môc ®Ých n©ng cao tuæi thä c¸c cÊu kiÖn, c¸c c«ng tr×nh cã ý nghÜa khoa häc ®Æc biÖt ®em l¹i hiÖu qu¶ kinh tÕ ®¸ng kÓ. Cã rÊt nhiÒu ph-¬ng ph¸p b¶o vÖ kim lo¹i bao gåm viÖc t¸c ®éng vµo b¶n th©n vËt liÖu bÞ ph¬i nhiÔm, hay can thiÖp vµo m«i tr-êng x©m thùc, hoÆc t¸c ®éng vµo mÆt tiÕp gi¸p gi÷a kim lo¹i vµ m«i truêng. Dùa vµo c¬ chÕ ¨n mßn ®iÖn hãa còng nh- ®iÒu kiÖn ho¹t ®éng cña c¸c pin ¨n mßn cã thÓ ®-a ra c¸c biÖn ph¸p d-íi ®©y nh»m gi¶m tèc ®é ¨n mßn kim lo¹i ®Õn møc thÊp nhÊt. §ã còng chÝnh lµ môc tiªu h-íng ®Õn cña c¸c ph-¬ng ph¸p b¶o vÖ. 1.1.2.1. Ph-¬ng ph¸p kim lo¹i häc Ngay tõ khi x©y dùng kÕt cÊu kim lo¹i, ng-êi ta cã thÓ lùa chän vËt liÖu phï hîp víi tõng m«i tr-êng x©m thùc. VÝ dô cã thÓ chän vµ chÕ t¹o hîp kim cã ®é bÒn ho¸ cao.nh- FeNi12, FeNi9Cr18 hay hîp kim chøa c¸c nguyªn tè ®Êt hiÕm ... Trang 6 Sù bÊt ®ång nhÊt cña vËt liÖu lµ nguy c¬ tiÒm Èn ph¸t sinh ¨n mßn ®iÖn ho¸. VÒ nguyªn t¾c, ng-êi ta cã thÓ gi¶m hay chÆn ®øng qu¸ tr×nh ¨n mßn nhê qu¸ tr×nh luyÖn kim ®Ó chÕ t¹o ra c¸c kim lo¹i rÊt tinh khiÕt hay c¸c chÊt cã ®é ®ång nhÊt cao (nhê xö lý nhiÖt). §ång thêi, trong qu¸ tr×nh luyÖn kim cã thÓ ®-a vµo c¸c nguyªn tè lµm t¨ng kh¶ n¨ng thô ®éng cña vËt liÖu (nh- Cr, Al, Ti), ®Ó t¹o ra c¸c hîp kim kh«ng gØ [18]. 1.1.2.2. Xö lÝ m«i tr-êng xung quanh Trong m«i tr-êng khÝ quyÒn, lµm gi¶m ®é Èm lµ mét biÖn ph¸p h¹n chÕ sù ¨n mßn cã hiÖu qu¶. NÕu ®é Èm t-¬ng ®èi d-íi 50% th× tèc ®é ¨n mßn rÊt nhá. Cã thÓ sö dông c¸c chÊt hót Èm silicagel ®Ó lµm kh« kh«ng khÝ. Ngoµi ra viÖc lo¹i trõ c¸c t¹p chÊt g©y ¨n mßn còng cÇn thiÕt. Trong kh«ng gian bao kÝn (bao gãi) c¸c cÊu kiÖn cã thÓ dïng c¸c chÊt øc chÕ bay h¬i ®Ó h¹n chÕ tèc ®é ¨n mßn kim lo¹i. Lµm nãng kh«ng khÝ trong kh«ng gian chøa c¸c cÊu kiÖn còng lµ mét biÖn ph¸p gi¶m ®é Èm. Trong dung dÞch chÊt ®iÖn li, sù ®iÒu chØnh pH vÒ m«i tr-êng trung tÝnh ®Ó h¹n chÕ sù ¨n mßn kim lo¹i cã thÓ thùc hiÖn mét c¸ch dÔ dµng. Tuy nhiªn viÖc lo¹i trõ oxi, t¸c nh©n g©y ¨n mßn, hoµn toµn kh«ng ®¬n gi¶n. 1.1.2.3. Sö dông chÊt øc chÕ ¨n mßn [6] ChÊt øc chÕ ¨n mßn lµ mét chÊt khi thªm mét l-îng nhá sÏ lµm gi¶m tèc ®é ¨n mßn mét c¸ch ®¸ng kÓ b»ng c¸ch gi¶m tÝnh kh¾c nghiÖt cña m«i tr-êng ®èi víi kim lo¹i nhê lo¹i bá c¸c thµnh phÇn x©m thùc trong dung dÞch, hay hÊp phô ®Ó t¹o mét líp kh«ng bÞ hoµ tan trªn bÒ mÆt kim lo¹i, hoÆc thô ®éng ho¸ bÒ mÆt kim lo¹i... ChÊt øc chÕ th-êng lµ nh÷ng chÊt ho¸ häc, ph¶n øng víi bÒ mÆt kim lo¹i hoÆc m«i tr-êng xung quanh, ®Ó t¹o thµnh mét líp bÒ mÆt bÒn v÷ng, cã t¸c dông b¶o vÖ vµ ng¨n ngõa sù ¨n mßn. T¸c dông b¶o vÖ cña c¸c chÊt nµy cã ®-îc lµ do c¸c ph©n tö hoÆc ion cña chóng bÞ hÊp phô trªn bÒ mÆt kim lo¹i, h×nh thµnh líp mµng máng b¶o vÖ. Chóng ®-îc hÊp phô lªn bÒ mÆt kim lo¹i bÞ Trang 7 ¨n mßn nhê lùc hót tÜnh ®iÖn (lùc cul«ng), lùc hót Vandecvan hay lùc hót ho¸ häc. Qu¸ tr×nh lµm gi¶m tèc ®é ¨n mßn do 3 nguyªn nh©n sau : + Lµm t¨ng thÕ ph©n cùc anèt hay catèt. + Lµm gi¶m tèc ®é khuÕch t¸n ion tíi bÒ mÆt kim lo¹i. + T¨ng ®iÖn trë cña bÒ mÆt kim lo¹i. Dùa trªn ®Æc tÝnh vµ t¸c dông cña tõng lo¹i chÊt øc chÕ, chÊt øc chÕ ¨n mßn ®-îc ph©n lo¹i theo nhiÒu c¸ch kh¸c nhau dùa trªn tÝnh chÊt, thµnh phÇn, kh¶ n¨ng ¸p dông ... Trong thùc tÕ, c¸ch ph©n lo¹i phæ biÕn nhÊt hiÖn nay lµ dùa theo c¬ chÕ t¸c dông cña tõng lo¹i chÊt øc chÕ ®èi víi c¸c qu¸ tr×nh ¨n mßn. Theo ®ã cã hai lo¹i øc chÕ lµ chÊt øc chÕ ¨n mßn anèt (chÊt øc chÕ ¨n mßn thô ®éng ho¸) vµ chÊt øc chÕ ¨n mßn catèt. Ngoµi ra cßn cã thÓ cã c¸c chÊt øc chÕ cã kh¶ n¨ng øc chÕ theo hai hay nhiÒu c¬ chÕ kh¸c nhau gäi lµ c¸c chÊt øc chÕ hçn hîp. a. ChÊt øc chÕ ¨n mßn anèt ChÊt øc chÕ ¨n mßn thô ®éng ho¸ lµm cho thÕ ¨n mßn chuyÓn dÞch vÒ phÝa anèt, t¹o thµnh trªn bÒ mÆt kim lo¹i mét mµng thô ®éng. B¶n chÊt cña c¸c chÊt øc chÕ anèt lµ tham gia ph¶n øng víi thÐp ®Ó t¹o thµnh s¶n phÈm trªn bÒ mÆt thÐp n»m trong vïng thô ®éng. Cã hai d¹ng chÊt øc chÕ ¨n mßn thô ®éng lµ : - Anion oxi ho¸, nh- lµ c¸c muèi cr«m¸t, nitrat vµ nitrit, chóng cã thÓ thô ®éng ho¸ thÐp khi kh«ng cã mÆt cña oxy. - Ion kh«ng oxy ho¸ nh- phèt ph¸t, tungstat vµ molybdat, c¸c muèi nµy cÇn thiÕt ph¶i cã oxy ®Ó thô ®éng ho¸ bÒ mÆt thÐp. Tuy vËy, nh÷ng chÊt øc chÕ thô ®éng ho¸ cã thÓ lµ nguyªn nh©n g©y ¨n mßn ®iÓm vµ lµm t¨ng tèc ®é ¨n mßn nÕu nång ®é cña nã nhá h¬n giíi h¹n tèi thiÓu nµo ®ã. V× vËy khi sö dông cÇn ph¶i cã biÖn ph¸p quan tr¾c ph©n tÝch ®¸nh gi¸ ng-ìng hµm l-îng chÊt øc chÕ. b. ChÊt øc chÕ ¨n mßn catèt Trang 8 ChÊt øc chÕ ¨n mßn catèt lµ chÊt lµm gi¶m tèc ®é ph¶n øng catèt hoÆc kÕt tña cã lùa chän trªn bÒ mÆt catèt lµm t¨ng ®iÖn trë bÒ mÆt vµ h¹n chÕ sù khuÕch t¸n chÊt khö ®Õn khu vùc nµy. B¶n chÊt cña chÊt øc chÕ catèt lµ ph¶n øng víi c¸c t¸c nh©n oxy ho¸ hoÆc t¹o mµng ng¨n c¶n c¸c t¸c nh©n oxy ho¸ x©m nhËp, ®Ó duy tr× thÐp ë tr¹ng th¸i ®¬n chÊt bÒn v÷ng. Theo ®ã, chÊt øc chÕ ¨n mßn catèt cã kh¶ n¨ng øc chÕ ¨n mßn theo 3 c¬ chÕ sau ®©y: - Thô ®éng ho¸ catèt. - KÕt tña trªn vïng catèt. - Tiªu thô oxy. Mét vµi chÊt øc chÕ ¨n mßn catèt, nh- nh÷ng hîp chÊt cña Arsen, Antimoan, lµm qu¸ tr×nh gi¶i phãng hydr« trë nªn khã h¬n. Mét sè chÊt øc chÕ ¨n mßn kh¸c nh- ion Canxi, KÏm, Magiª, ®-îc kÕt tña d-íi d¹ng oxit, t¹o thµnh mµng b¶o vÖ kim lo¹i. C¸c chÊt øc chÕ tiªu thô oxy ng¨n ngõa sù ph©n cùc catèt do oxy, chÊt tiªu thô oxy d¹ng nµy phæ biÕn nhÊt lµ natri sunfit (Na2SO3 ). 1.1.2.4. B¶o vÖ chèng ¨n mßn kim lo¹i b»ng ph-¬ng ph¸p ®iÖn hãa a. Ph-¬ng ph¸p b¶o vÖ catèt Nguyªn t¾c cña ph-¬ng ph¸p nµy lµ dÞch chuyÓn thÕ vÒ phÝa ©m n»m trong miÒn thÕ miÔn nhiÔm ¨n mßn (h×nh 1.1) b»ng ph©n cùc bëi dßng ngoµi hoÆc tù ph©n cùc khi nèi m¹ch kÝn trong pin ¨n mßn. Ph-¬ng ph¸p b¶o vÖ nµy th-êng ®-îc dïng b¶o vÖ nh÷ng phÇn kim lo¹i tiÕp xóc víi m«i tr-êng dÉn ®iÖn trong lßng ®Êt hay n-íc biÓn. Cã hai ph-¬ng ph¸p b¶o vÖ catèt nh- sau (h×nh 1.2): – B¶o vÖ catèt b»ng dßng ngoµi liªn tôc: ®Æt cùc ©m cña nguån ®iÖn t¹i kim lo¹i cÇn b¶o vÖ, sö dông an«t tr¬ lµm b»ng Ti, Pt hay thÐp kh«ng gØ). – B¶o vÖ catèt b»ng anèt hy sinh: nèi kim lo¹i cÇn b¶o vÖ víi kim lo¹i kh¸c cã ®iÖn thÕ ©m h¬n (Zn, Mg, Al). Trang 9 H×nh 1.1: Gi¶m ®å Pourbaix E(V)-pH cho Fe/H20 t¹i 25oC [27] H×nh 1.2: B¶o vÖ catèt b»ng dßng ®iÖn ngoµi vµ anèt hy sinh Trong ph-¬ng ph¸p b¶o vÖ catèt b»ng dßng ®iÖn ngoµi, dßng ®iÖn ®Ó ph©n cùc catèt ®-îc cung cÊp tõ m¸y biÕn thÕ chØnh l-u (chuyÓn ®iÖn xoay chiÒu AC thµnh ®iÖn mét chiÒu DC). ë nh÷ng n¬i hÎo l¸nh kh«ng cã ®iÖn, dßng ®iÖn ngoµi cã thÓ ®-îc cung cÊp tõ m¸y ph¸t ®iÖn ch¹y dÇu diesel, ch¹y khÝ ®èt hoÆc tõ pin mÆt trêi. Anèt cã thÓ lµ mét hoÆc nhiÒu ®iÖn cùc b»ng graphit (cho cÊu tróc ngÇm d-íi ®Êt) hoÆc gang cã hµm l-îng silic cao, hay titan phñ platin (cho cÊu tróc nhóng trong n-íc biÓn). Trang 10
- Xem thêm -