Tài liệu Tổng hợp phụ gia ức chế ăn mòn trên cơ sở hydrotalcite và ứng dụng trong lớp phủ epoxy hệ nước bảo vệ chống ăn mòn kim loại thân thiện môi trường

Đại học Khoa học tự nhiên Khoa hóa học ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN THỊ THU TRANG TỔNG HỢP PHỤ GIA ỨC CHẾ ĂN MÒN TRÊN CƠ SỞ HYDROTALCITE VÀ ỨNG DỤNG TRONG LỚP PHỦ EPOXY HỆ NƢỚC BẢO VỆ CHỐNG ĂN MÒN KIM LOẠI THÂN THIỆN MÔI TRƢỜNG Chuyên ngành Hóa Môi trường Mã số:60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC Hà Nội – 2013 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Trang Đại học Khoa học tự nhiên Khoa hóa học Lời cảm ơn Bản luận văn này được thực hiện và hoàn thành tại phòng Nghiên cứu sơn bảo vệ- Viện Kỹ thuật nhiệt đới- Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Tôi xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo Viện Kỹ thuật nhiệt đới đã tiếp nhận và cho phép tôi được làm nghiên cứu tại Viện. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Tô Thị Xuân Hằng, người đã tin tưởng giao đề tài nghiên cứu, hướng dẫn và chỉ đạo tận tình, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian triển khai và hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Hóa Môi trường – khoa Hóa học – trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội đã trang bị kiến thức và tạo điều kiện để tôi tiếp cận với các đề tài khoa học. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các cô chú, anh chị làm việc và nghiên cứu tại phòng Nghiên cứu sơn bảo vệ - Viện Kỹ thuật nhiệt đới đã giúp đỡ, chỉ bảo và tạo cho tôi một không khí làm việc thuận lợi trong suốt thời gian tôi thực hiện đề tài. Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè là nguồn động viên và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian làm đề tài và hoàn thành luận văn. Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, tháng 12 năm 2013 Tác giả Nguyễn Thị Thu Trang Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Trang Đại học Khoa học tự nhiên Khoa hóa học MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU ................................................................................................ 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .............................................................................. 4 1.1. Ăn mòn kim loại và các phƣơng pháp bảo vệ ................................................. 4 1.1.1. Ăn mòn kim loại ........................................................................................ 4 1.1.2. Các phương pháp bảo vệ chống ăn mòn kim loại ........................... ...........6 1.1.3. Lớp phủ hữu cơ bảo vệ chống ăn mòn....................................................8 1.1.3.1 Khái quát về sơn.....................................................................................8 1.1.3.2. Thành phần của sơn .......................................................................... ..........8 1.1.3.3. Những yêu cầu với màng sơn .................................................................... 9 1. 2. Hydrotalcite ....................................................................................................... 9 1.2.1. Khái niệm ....................................................................................................... 9 1.2.2. Đặc điểm cấu trúc và tính chất ................................................................... 11 1.2.2.1. Đặc điểm cấu trú............................................................................. 11 1.2.2.2. Tính chất......................................................................................... 12 1.2.2.3. Các phƣơng pháp điều chế hydrotalcite (HTC) .............................. 13 1.2.3. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước ..................................... 15 1.2.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới .................................................. 15 1.2.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc .................................................... 17 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM ........................................................................ 19 2.1. Dụng cụ và hóa chất. ....................................................................................... 19 2.1.1 Dụng cụ. ........................................................................................................ 19 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Trang Đại học Khoa học tự nhiên Khoa hóa học 2.1.2. Nguyên liệu, hóa chất. ............................................................................... 19 2.2. Tổng hợp hydrotalcite ...................................................................................... 19 2.2.1. Tổng hợp hydrotalcite ................................................................................. 19 2.2.2. Tổng hợp hydrotalcite mang molypdat ...................................................... 20 2.2.3. Tổng hợp hydrotalcite mang molypdat biến tính bằng silan .................... 22 2.2.3. Chế tạo màng epoxy chứa HTM và HTM-Silan ........................................ 23 2.3. Các phƣơng pháp nghiên cứu .......................................................................... 23 2.3.1. Phương pháp phổ hồng ngoại .................................................................... 23 2.3.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)........................................... 24 2.3.3. Phương pháp tổng trở điện hóa ................................................................. 25 2.3.4. Phương pháp đo đường cong phân cực .................................................... 28 2.3.5. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)............................................................ 29 2.3.6. Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS ................................................. 30 2.3.7. Xác định độ bám dính. ................................................................................. 31 2.3.8. Xác định độ bền va đập ............................................................................... 31 2.3.9. Thử nghiệm mù muối ................................................................................... 31 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 32 3.1. Chế tạo hydrotalcite mang molypdat và biến tính bằng silan ....................... 32 3.1.1. Xác định hàm lượng molipdat trong HTM.............................................32 3.1.2. Phổ hồng ngoại ............................................................................................ 33 3.1.2. Phổ nhiễu xạ tia X........................................................................................ 36 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Trang Đại học Khoa học tự nhiên Khoa hóa học 3.1.3. Ảnh kính hiển vi điện tử quét....................................................................... 37 3.1.4. Khả năng ức chế ăn mòn của HTM và HTMS ........................................... 39 3.2. Nghiên cứu chế tạo lớp phủ epoxy chứa HTM và HTMS ............................ 42 3.2.1. Cấu trúc màng sơn....................................................................................... 42 3.2.2. Khả năng bảo vệ chống ăn mòn của màng sơn......................................46 3.2.3. Tính chất cơ lý của màng sơn ..................................................................... 54 3.2.3. Thử nghiệm mù muối ................................................................................... 54 KẾT LUẬN ...................................................................................................... 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 58 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Trang Đại học Khoa học tự nhiên Khoa hóa học MỤC LỤC HÌNH Hình 1.1: Mô hình cấu trúc dạng vật liệu hydrotalcite ...................................... 10 Hình 1.2: Cấu trúc của HTC – [CO3]2- ............................................................ 11 Hình 2.1: Sơ đồ tổng hợp hydrotalcite Zn/Al .................................................. 20 Hình 2.2: Sơ đồ tổng hợp hydrotalcite Zn/Al chứa molipdat (HTM) .............. 21 Hình 2.3: Sơ đồ tổng hợp hydrotalcite mang molypdat biến tính silan (HTMS). 22 Hình 2.4: Sơ đồ mạch điện và phổ tổng trở khi màng sơn ngăn cách hoàn toàn kim loại khỏi dung dịch điện ly............................................................................................ 26 Hình 2.5 : Sơ đồ mạch điện và phổ tổng trở khi dung dịch điện li ngấm vào màng sơn nhưng chưa tiếp xúc với bề mặt kim loại..............................................................26 Hình 2.6: Sơ đồ mạch điện và phổ tổng trở khi dung dịch điện li tiếp xúc với bề mặt kim loại ........................................................................................................................ 27 Hình 2.7: Sơ đồ đo tổng trở màng sơn.............................................................. 27 Hình 3.1: Phổ hồ ng ngoại của natri molipdat (a), HT (b), và HTM(c) .......... 34 Hình 3.2: Phổ hồ ng ngoại của silan(a), HTM (b), và HTMS (c) .................... 35 Hình 3.3: Phổ nhiễu xạ tia X của HT (a), HTM (b) và HTMS (c) ................... 37 Hình 3.4: Ảnh kính hiển vi điện tử quét của HT (a), HTM (b) và HTMS (c) .. 38 Hình 3.5: Đường cong phân cực của điện cực thép sau 120 phút ngâm trong dung dịch NaCl 0,1M (●), dung dịch NaCl 0,1M chứa 3g/l HTM (□),dung dịch NaCl 0,1M chứa 3g/l HTMS% (◊) .......................................................................................... 40 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Trang Đại học Khoa học tự nhiên Khoa hóa học Hình 3.6: Phổ tổng trở của điện cực thép sau 120 phút ngâm trong dung dịch NaCl 0,1M(a), dung dịch NaCl 0,1M chứa 3g/l HTM (b), dung dịch NaCl 0,1M chứa 3g HTMS (c)................................................................................................................42 Hình 3.7: Phổ hồng ngoại của màng epoxy không chứa hydrotalcite (a), màng epoxy chứa HTM (b) và màng epoxy chứa HTMS (c).................................................44 Hình 3.8: Phổ XRD của màng epoxy không chứa hydrotalcite (a), màng epoxy chứa HTM (b) và màng epoxy chứa HTMS (c) ............................................................. 46 Hình 3.9 : Phổ tổng trở của các mẫu sau 1 ngày ngâm trong dung dịch NaCl 3% ............................................................................................................................ ..48 Hình 3.10 : Phổ tổng trở của mẫu sau 5 ngày ngâm trong dung dịch NaCl 3% ...................................................................................................................... ........49 Hình 3.11: Phổ tổng trở của mẫu sau 35 ngày ngâm trong dung dịch NaCl 3% ....................................................................................................................... .......50 Hình 3.12: Sự thay đổi giá trị Rf của các mẫu theo thời gian ngâm trong dung dịch NaCl 3% ............................................................................................................... 52 Hình 3.13: Sự thay đổi giá trị Z10mHz của các mẫu theo thời gian ngâm trong dung dịch NaCl 3% ....................................................................................................... 53 Hình 3.14: Ảnh bề mặt các mẫu sau 96 giờ thử nghiệm trong tủ mù muối..........56 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Trang Đại học Khoa học tự nhiên Khoa hóa học MỤC LỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Kết quả phân tích hàm lƣợng Zn, Al, Mo và molipdat trong HTM ... 32 Bảng 3.2: Các pic đặc trƣng và liên kết tƣơng ứng ............................................... 33 Bảng 3.3: Các pic đặc trƣng và liên kết tƣơng ứng của ........................................ 36 Bảng 3.4: Giá trị trị Rp và hiệu suất ức chế ăn mòn của các dung dịch .............. 41 Bảng 3.5: Thành phần các mẫu sơn epoxy nghiên cứu ........................................ 43 Bảng 3.6: Kết quả đo độ bám dính và độ bền va đập của các màng sơn ............. 54 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Trang Đại học Khoa học tự nhiên Khoa hóa học CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT HT Hydrotalcite HTM Hydrotalcite mang molipdat HTMS Hydrotalcite mang molipdat đƣợc biến tính bằng silan APTS N-(2-aminoethyl)-3-aminopropyl trimethoxysilan. EP0 Màng epoxy EP- HTM Màng epoxy chứa hydrotalcite mang molipdat EP- HTMS Màng epoxy chứa hydrotalcite mang molipdat biến tính silan SEM Kính hiển vi điện tử quét Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Trang Đại học Khoa học tự nhiên Khoa hóa học PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Việt Nam là một nƣớc có khí hậu nhiệt đới nóng ẩm cùng với sự biến đổi khí hậu rất nghiêm trọng trên toàn cầu hiện nay. Các công trình thiết bị kim loại đều bị tác động ăn mòn mạnh mẽ của môi trƣờng. Ăn mòn kim loại làm biến đổi một lƣợng lớn các sản phẩm thành sản phẩm ăn mòn và gây ra những hậu quả nặng nề nhƣ: biến đổi tính chất của các kim loại, ảnh hƣởng tới quá trình sản xuất, gây thiệt hại về kinh tế, mất an toàn lao động... Theo đánh giá hàng năm của cơ quan phát triển Liên hợp quốc (UNDP), ăn mòn kim loại làm tổn thất khá lớn nền kinh tế quốc dân và chiếm tới 3% tổng sản phẩm quốc gia (GNP) . Do vậy việc bảo vệ chống ăn mòn kim loại là một vấn đề cần thiết cả về kinh tế cũng nhƣ công nghệ. Sơn phủ là một phƣơng pháp bảo vệ chống ăn mòn kim loại rất hiệu quả, để nâng cao khả năng bảo vệ của các màng sơn sự có mặt của các chất ức chế rất quan trọng. Đã từ lâu ngƣời ta sử dụng các hợp chất crômat làm chất ức chế trong màng sơn rất có hiệu quả. Song các hợp chất crômat có tính chất độc hại ảnh hƣởng đến môi trƣờng sống nên ngày càng bị hạn chế sử dụng. Vì vậy việc tìm ra các chất ức chế không độc hại để thay thế cho các hợp chất Crômat là một việc rất có ý nghĩa và đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm. Trong những năm gần đây, hydrotalcite (HT) đã đƣợc nghiên cứu dùng làm chất phụ gia, chất xúc tác, chất mang xúc tác phụ gia cho polyme sử dụng trong sản xuất sơn thân thiện với môi trƣờng. Ở nƣớc ta hiện nay chƣa có nhiều công trình công bố sử dụng hydrotalcite (HT) làm chất phụ gia trong chế tạo sơn trên hệ lớp phủ hữu cơ bảo vệ bảo vệ chống ăn mòn. Vì vậy em thực hiện đề tài “Tổng hợp phụ gia ức chế ăn mòn trên cơ sở hydrotalcite và ứng dụng trong lớp phủ epoxy hệ nước bảo vệ chống ăn mòn kim loại thân thiện môi trường” nhằm thay thế các hợp chất crômat độc hại, tạo ra loại sơn thân thiện với môi trƣờng. Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Trang Đại học Khoa học tự nhiên 2. Khoa hóa học Mục đích nghiên cứu. Tôi thực hiện đề tài này với 2 mục đích chính: Tổng hợp hydrotalcite mang ức chế ăn mòn molipdat (MoO42-) đƣợc biến tính bề mặt bằng N-(2-aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilan. Chế tạo và đánh giá tính chất của lớp phủ epoxy nanocompozit chứa hydrotalcite mang ức chế đƣợc biến tính silan để bảo vệ chống ăn mòn cho thép cacbon. Chế tạo vật liệu không độc hại thân thiện với môi trƣờng. 3. Đối tƣợng nghiên cứu Đề tài này nghiên cứu chế tạo và ứng dụng hydrotalcite mang ức chế ăn mòn trong chế tạo lớp phủ epoxy nanocompozit bảo vệ chống ăn mòn cho thép cacbon. 4. Giả thiết khoa học. Do khả năng trao đổi anion của mình nên hydrotalcite thu hút đƣợc nhiều sự quan tâm của các nhà sản xuất và nghiên cứu. Trong điều kiện nhất định các anion xen có thể đƣợc giải phóng và thay thế bằng các anion khác từ môi trƣờng. Chính khả năng này đã hứa hẹn cho ứng dụng bảo vệ chống ăn mòn của hydrotalcite. Anion ức chế ăn mòn đƣợc xen vào hydrotalcite nhằm mục đích đó. Hơn thế nữa, hợp chất trao đổi anion này có thể đƣợc sử dụng để chế tạo chất ức chế ăn mòn không độc hại, thân thiện với môi trƣờng nhằm dự trữ và nhả chậm anion ức chế ăn mòn trong lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn. Silan đƣợc sử dụng để biến tính hydrotalcite nhằm làm tăng khả năng phân tán của hydrotalcite trong lớp phủ. Trong lớp phủ bảo vệ hydrotalcite đƣợc ứng dụng làm chất mang chất ức chế ăn mòn. Hơn nữa natri molipdat (Na2MoO 4) và silan là các phụ gia không độc hại, thân thiện với môi trƣờng. 5. Nhiệm vụ nghiên cứu. Chính vì những mục đích cấp thiết của đề tài và giả thiết khoa học nêu trên, nhiệm vụ đặt ra của đề tài này là: Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Trang Đại học Khoa học tự nhiên Khoa hóa học Chế tạo và nghiên cứu cấu trúc của hydrotalcite mang ức chế ăn mòn molipdat (MoO42-) đƣợc biến tính bề mặt bằng N-(2-aminoethyl)-3-aminopropyl trimethoxysilan. Nghiên cứu cấu trúc và khả năng bảo vệ chống ăn mòn cho thép cacbon của lớp phủ epoxy nanocompozit chứa hydrotalcite mang ức chế ăn mòn. 6. Phạm vi nghiên cứu. Đề tài luận văn này nghiên cứu: Tổng hợp và biến tính bề mặt hydrotalcite mang ức chế ăn mòn Đánh giá tính chất của lớp phủ bảo vệ chứa hydrotalcite mang chất ức chế ăn mòn. 7. Phƣơng pháp nghiên cứu . Trong luận văn này, tôi sử dụng các phƣơng pháp nghiên cứu sau: + Tổng hợp hydrotalcite bằng phƣơng pháp đồng kết tủa + Phân tích cấu trúc bằng các phƣơng pháp: - Phƣơng pháp phổ hồng ngoại - Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) - Phƣơng pháp phổ nhiễu xạ tia X (XRD) - Phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS + Phƣơng pháp đánh giá khả năng bảo vệ chống ăn mòn của hydrotalcite và lớp phủ: - Phƣơng pháp tổng trở điện hóa - Phƣơng pháp đo đƣờng cong phân cực - Phƣơng pháp xác định độ bám dính - Phƣơng pháp xác định độ bền va đập - Phƣơng pháp thử nghiệm mù muối Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Trang Đại học Khoa học tự nhiên Khoa hóa học CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Ăn mòn kim loại và các phương pháp bảo vệ [12] 1.1.1. Ăn mòn kim loại a) Khái niệm Ăn mòn kim loại là sự phá huỷ bề mặt kim loại do tƣơng tác hoá học hoặc điện hoá của các kim loại với môi trƣờng xung quanh nhƣ khí quyển, chất điện ly … Kim loại trong môi trƣờng ăn mòn sẽ chuyển thành ion: M Mn+ +ne b) Phân loại ăn mòn kim loại - Có nhiều nguyên nhân ảnh hƣởng tới quá trình ăn mòn kim loại nhƣ: bản chất và thành phần kim loại, bề dày kim loại, thành phần môi trƣờng xâm thực, công nghệ vật liệu… Tùy theo cơ chế phá hủy kim loại mà ngƣời ta phân loại ăn mòn thành: ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa. Ăn mòn hoá học là sự ăn mòn xảy ra nhƣ một phản ứng hoá học giữa kim loại và môi trƣờng tác dụng lên kim loại theo cơ chế phản ứng hoá học dị thể, nghĩa là phản ứng chuyển kim loại thành ion xảy ra ở cùng một giai đoạn. Ăn mòn điện hoá xảy ra do tác dụng của môi trƣờng xung quanh lên bề mặt kim loại theo cơ chế điện hoá tuân theo quy luật của động học điện hoá. Phản ứng chuyển kim loại thành ion xảy ra không phải ở cùng một giai đoạn mà xảy ra ở nhiều giai đoạn và ở nhiều khu vực khác nhau của 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 đƣợc 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. Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Trang Đại học Khoa học tự nhiên Khoa hóa học - Sự phá hủy kim loại theo cơ chế ăn mòn điện hóa rất phổ biến trong tự nhiên. Trong thực tế phần lớn kim loại bị ăn mòn theo cơ chế điện hóa. - Ăn mòn điện hóa của kim loại gồm có ba quá trình cơ bản: quá trình anôt, quá trình catôt và quá trình dẫn điện. - Quá trình anôt là quá trình oxy hóa điện hóa, trong đó kim loại (chất khử-red) chuyển vào dung dịch dƣới dạng ion và giải phóng điện tử: Me → Men+ +ne viết tổng quát là Red1→ Ox1+ne - Quá trình catôt là quá trình khử, trong đó các chất oxy hóa (ox-thƣờng là H+ hoặc là O2) nhận điện tử do kim loại bị ăn mòn giải phóng ra : Ox2 + ne → Red2 + Nếu Ox là H+ thì quá trình catôt xảy ra nhƣ sau : H+ +1e → Hhp Hhp + Hhp→ H2 Trong đó, Hhp là hydro hấp phụ. Ta gọi trƣờng hợp này là sự ăn mòn với chất khử phân cực hydro. + Nếu Ox là O2 thì: Với môi trƣờng axit,quá trình catôt là: O2 + 4H+ + 4e → 2H2O Với môi trƣờng trung tính hoặc bazơ, quá trình catôt sẽ là: O2 + 2H2O + 4e → 4OH- Trong 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. Nhƣ vậy, khi kim loại bị ăn mòn sẽ xuất hiện vùng catôt và vùng anôt. Ngoài ra còn phân loại theo sự phá huỷ bề mặt kim loại. Tuỳ theo sự ăn mòn xảy ra trên toàn bề mặt kim loại (ăn mòn liền khối) hay từng khu vực (ăn mòn cục bộ). Sự ăn mòn kim loại gây ra các hậu quả nghiêm trọng và làm hao tổn kim loại. Vì ăn mòn kim loại làm biến đổi một lƣợng lớn các sản phẩm kim loại thành sản phẩm ăn mòn, làm biến đổi hoàn toàn tính chất của kim loại. Nó làm biến đổi các tính chất quan Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Trang Đại học Khoa học tự nhiên Khoa hóa học trọng của kim loại nhƣ tính ổn định cơ học, độ mềm dẻo, và một vài tính chất vật lý hoá học nhƣ độ cứng, độ phản xạ, độ dẫn điện … Do đó khi đánh giá những mất mát do ăn mòn ta phải khảo sát tất cả những hậu quả do ăn mòn gây ra gồm hao tổn trực tiếp và hao tổn gián tiếp. - Những hao tổn trực tiếp bao gồm giá cả của các thiết bị ăn mòn (máy móc, ống dẫn), các phí tổn quan trọng của các phƣơng tiện bảo vệ: mạ điện, mạ niken của thép hay sơn, sử dụng các chất ức chế ăn mòn. -Những hao tổn gián tiếp gây ra những hậu quả nghiêm trọng nhƣ sự hƣ hại thiết bị, mất mát sản phẩm, giảm hiệu suất, làm bẩn các sản phẩm thực phẩm... Do vậy việc bảo vệ chống ăn mòn kim loại là một vấn đề cần thiết cả về kinh tế cũng nhƣ công nghệ. 1.1.2. Các phương pháp bảo vệ chống ăn mòn kim loại [13] Vấn đề bảo vệ chống ăn mòn kim loại phải đƣợc 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 ngƣời ta chia làm ba phƣơng pháp chính nhƣ sau: + Thay đổi tính chất môi trƣờng xâm thực. + Thay đổi tính chất của kim loại. + Tách kim loại khỏi môi trƣờng xâm thực. a ) Thay đổi tính chất của môi trường xâm thực: để thay đổi các tính chất của môi trƣờng xâm thực ngƣời ta loại bỏ các chất xâm thực hoặc đƣa vào các chất làm giảm tính xâm thực của môi trƣờng. Chẳng hạn nếu oxy hòa tan trong dung dịch là nguyên nhân ăn mòn ngƣời ta đuổi oxy vào không khí hay đƣa vào các chất hấp phụ đặc biệt nhƣ hidrazon hidrat, natri sunfit… để làm giảm tính xâm thực của các dung dịch axit, muối, bazơ ngƣời ta thêm vào dung dịch các chất ức chế ăn mòn. Để bảo vệ các chi tiết máy chống ăn mòn khí quyển ngƣời ta dùng các chất ức chế bay hơi. Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Trang Đại học Khoa học tự nhiên Khoa hóa học b)Thay đổi tính chất của kim loại: để thay đổi các tính chất của kim loại ngƣời ta có thể đƣa 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 phƣơng pháp có hiệu quả để tạo thành một loại thép mới,một loại hợp kim mới. Độ bền của vật liệu có thể đƣợc nâng cao bằng biến đổi thành phần (đƣa thêm vào các nguyên tố trong hợp kim) hoặc tác động lên sự phân bố pha hoặc giảm nguy cơ nứt hoặc giòn hoá do hydro. 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 phƣơng pháp bảo vệ điện hóa nhƣ: bảo vệ catôt, bảo vệ anôt, bảo vệ bằng protecto, bảo vệ điện dẫn lƣu. Bằng phƣơng pháp dịch chuyển điện thế của kim loại có thể làm ngừng hoặc giảm tốc độ hòa tan kim loại. Sự dịch chuyển điện thế theo chiều nào phụ thuộc vào tính chất bảo vệ catôt hoặc anôt. Bảo vệ catôt có thể thực hiện đƣợc bằng anôt hy sinh hoặc bằng dòng ngoài. Bảo vệ bằng anot hy sinh có nghĩa là kim loại đƣợc nối điện với một điện cực có thế đủ thấp để phản ứng cục bộ anôt của kim loại cần bảo vệ không thể xảy ra. Bảo vệ bằng dòng ngoài có nghĩa là một dòng điện đƣợc áp vào pin tạo thành bởi kim loại cần bảo vệ, đóng vai trò catôt và một anôt trơ. Mật độ dòng áp vào phải đảm bảo để phản ứng cục bộ anôt của kim loại cần bảo vệ không xảy ra. c)Tách kim loại khỏi môi trường xâm thực: phƣơng pháp bảo vệ kim loại đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp là ngăn cách kim loại khỏi môi trƣờng xâm thực bằng lớp phủ bám dính tốt, không thấm và kín khít, độ cứng cao và điện trở thấp, không bị ăn mòn hoặc bị ăn mòn với tốc độ yếu hơn tốc độ ăn mòn của kim loại cần đƣợc bảo vệ, có độ bền cao. Có nhiều loại lớp phủ nhƣng ta có thể chia thành ba loại chính nhƣ sau:  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 trƣờng xâm thực. Sự có mặt của lớp phủ trên bề mặt kim loại làm kìm hãm công của các vi pin. Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Trang Đại học Khoa học tự nhiên Khoa hóa học 1.1.3. Lớp phủ hữu cơ bảo vệ chống ăn mòn kim loại 1.1.3.1. Khái quát về sơn [3] Sơn là hệ huyền phù gồm chất tạo màng, dung môi và một số chất phụ gia khác, khi phủ lên bề mặt tạo thành lớp mỏng bám chắc, bảo vệ và trang trí vật cần sơn. Hiện nay ngƣời ta chƣa chế tạo đƣợc một loại sơn mà đồng thời đáp ứng mọi yêu cầu nhƣ: bám dính, chống ăn mòn, chống thấm, tạo màu sắc, mà giá thành lại chấp nhận đƣợc. Do đó ngƣời ta phải sơn nhiều lớp khác nhau. Mỗi hệ thống sơn thƣờng gồm ba lớp chính: - Lớp lót: tác dụng chủ yếu là bám dính tốt lên bề mặt vật cần sơn và chống ăn mòn. - Lớp trung gian (hay lớp tăng cƣờng): có tác dụng tăng độ bền và tăng khả năng chống thấm của lớp lót. - Lớp phủ: tạo độ bóng, tạo màu sắc và phần nào có tác dụng chống thấm và ngăn cản tác hại của tia sáng lên sơn. 1.1.3.2. Thành phần của sơn Thành phần chính của sơn bao gồm: - Chất kết dính: gồm ba nhóm chính tùy theo phƣơng thức làm khô để đóng rắn sơn: + Đóng rắn nhờ bốc hơi dung môi. + Đóng rắn nhờ oxy hóa các chất kết dính. + Đóng rắn nhờ phản ứng hóa học giữa các thành phần của chất kết dính với chất xúc tác. Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Trang Đại học Khoa học tự nhiên Khoa hóa học - Dung môi: là các chất dễ bay hơi, ngƣời ta pha dung môi vào sơn làm cho sơn loãng để dễ sơn, sơn đều và bóng, sau đó dung môi sẽ nhanh chóng bay hơi làm sơn nhanh khô. Các dung môi thƣờng sử dụng là: xylen, toluene, butanol, axeton… - Pigment: nhiệm vụ chính của pigment là tạo màu cho sơn. - Các chất phụ gia: thƣờng là các loại khoáng, các chất hữu cơ có dạng bột nằm lơ lửng trong sơn và không hòa tan vào dung môi. Tùy theo yêu cầu về tính chất của sơn mà dùng các loại phụ gia thích hợp nhƣ: chống ăn mòn áp dụng cho sơn lót hoặc lớp sơn trung gian có tác dụng làm thụ động quá trình ăn mòn hay bảo vệ catôt. Chất phụ gia cho lớp sơn trung gian đảm bảo tính chống thấm, tăng cƣờng độ bền cho lớp sơn. Chất phụ gia cho lớp sơn phủ thƣờng là bột, vật liệu hữu cơ, chất khoáng quyết định màu sơn, ngoài ra còn có tác dụng ngăn ánh sáng giữ cho màu sơn đƣợc bền lâu. - Chất độn: tăng khả năng chống mài mòn, chịu nhiệt, cách điện, tạo màu… thƣờng dùng là các loại: SiO2, BaSO4, amiăng, mica, CaCO3… 1.1.3.3. Những yêu cầu với màng sơn Màng sơn hữu cơ có những đặc điểm ƣu việt hơn lớp phủ kim loại, chúng dễ che phủ lên các chi tiết nhiều loại kích thƣớc, bịt kín các lỗ, các khe, các vết rạn nứt, không làm tính chất của kim loại bị thay đổi. Chúng là những vật liệu bảo vệ có hiệu quả, gần 90% các chi tiết kim loại đƣợc bảo vệ bằng màng sơn. Màng sơn phải thỏa mãn các yêu cầu sau: + Tạo một hàng rào bảo vệ tốt. + Kìm hãm hiệu quả quá trình ăn mòn. + Đảm bảo thời gian sử dụng lâu dài của các chi tiết máy đƣợc bảo vệ. Đòi hỏi đầu tiên dễ thỏa mãn bằng cách phủ nhiều lớp vật liệu và đƣa vào sơn các pigment có khả năng bịt các lỗ xuất hiện trong màng. Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Trang Đại học Khoa học tự nhiên Khoa hóa học Để giảm quá trình ăn mòn có hiệu quả ngƣời ta đƣa các chất ức chế ăn mòn vào sơn nhƣ cromat kẽm, cromat chì. Trong một vài trƣờng hợp ngƣời ta sử dụng bột kẽm, nhôm vì chúng bảo vệ có hiệu quả và đóng vai trò protecter. 1. 2. Hydrotalcite [1, 5, 24, 35, 36, 37] 1.2.1. Khái niệm Hydrotalcite là hỗn hợp hydroxyt của kim loại hóa trị II và kim loại hóa trị III, tạo thành các lớp bát diện mang điện tích dƣơng. Để cấu trúc trung hòa về điện tích các anion bị hydrat hóa đƣợc đan xen vào khoảng trống giữa hai lớp bát diện. Công thức tổng quát của hydrotalcit có dạng MII(1-X)MIIIx(OH)2AX/nn+.mH2O Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Trang Đại học Khoa học tự nhiên Khoa hóa học Hình 1.1: Mô hình cấu trúc dạng vật liệu hydrotalcite MII: Kim loại hóa trị II nhƣ Mg, Ni, Zn, Ca.... MIII: Kim loại hóa trị III nhƣ Al, Fe, Cr, Co.... Giá trị x từ 0,2 đến 0,33 với x=MIII/(MII + MIII). Để cấu trúc đƣợc trung hòa về điện tích, các anion X có điện tích m- bị hydrat hóa đƣợc định vị ở lớp trung gian. X là các anion vô cơ hoặc hữu cơ nhƣ: Anion halogen: F-, Cl-, Br-,... Oxo anion: NO3-, SO42-, CO32-,... 1.2.2. Đặc điểm cấu trúc và tính chất 1.2.2.1. Đặc điểm cấu trúc Hydrotalcite có cấu trúc của brucite, Mg(OH)2. Trong đó, kim loại hóa trị II phối trí bát diện với những ion hydroxid xung quanh, tạo thành các lớp. Trong cấu trúc này, một vài nguyên tử kim loại hóa trị II (MII) đƣợc thay thế bằng những nguyên tử kim loại hóa trị III (MIII) và tỉ lệ nguyên tử MII : MIII có thể thay đổi hoàn toàn. Sự thay thế MIII cho MII tạo nên những lớp điện tích dƣơng trên những lớp hydroxid kim loại, bởi vì kim loại hóa trị III vẫn phối trí bát diện với những nhóm hydroxyl. Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Trang