Nghiên cứu chế tạo sơn giàu kẽm vô cơ sử dụng làm sơn lót bảo về kết cấu thép

LuËn v¨n tèt nghiÖp Vò ThÞ Dung CNVL Polyme 2008 - 2010 Phần 2: Nêu các phương pháp nghiên cứu được áp dụng trong quá trình thực nghiệm như các phương pháp xác định tính chất vật lý, cơ

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Trang 2

LuËn v¨n tèt nghiÖp Vò ThÞ Dung CNVL Polyme 2008 - 2010

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 4

LỜI CAM ĐOAN 5

TÓM TẮT 6

MỞ ĐẦU 7

PHẦN I: TỔNG QUAN 9

1.1 Giới thiệu chung về ăn mòn kim loại và sự bảo vệ ăn mòn kim loại của màng sơn 9

1.1.1 Giới thiệu chung về ăn mòn kim loại 9

1.2 Giới thiệu chung về sơn vô cơ giàu kẽm 12

1.2.1 Khái quát chung 12

1.2.2 Lịch sử phát triển của sơn vô cơ giàu kẽm 12

1.2.3 Phân loại 13

1.2.4 Hệ sơn lót giàu kẽm 15

1.2.5 Đặc tính của màng phủ trên cơ sở etyl silicat 16

1.2.6 Cơ chế đóng rắn của màng phủ silicat giàu kẽm 17

1.2.7 Hiệu quả chống ăn mòn của hệ sơn vô cơ silicat-kẽm 21

1.2.8 Ứng dụng 23

1.3 Chất tạo màng 25

1.3.1 Alkyl silicat 25

1.3.2 Sự thuỷ phân của etyl silicat 26

1.3.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng chính đến sự hình thành chất tạo màng etyl silicat 27

1.3.2.2 Hoá học của chất tạo màng etyl silicat 27

Trang 3

1.4.1 Phụ gia phân tán 29

1.4.2 Phụ gia chống tạo bọt 33

PHẦN II: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36

2 1 Nguyên liệu 36

2.1.1 Chất tạo màng 36

2.1.2 Bột kẽm 36

2.1.3 Bột màu, chất độn và các phụ gia 36

2.2 Các phương pháp xác định tính chất vật lý của sơn 37

2.2.1 Phương pháp xác định độ mịn 37

2.2.2 Phương pháp xác định màu sắc 37

2.3 Các phương pháp xác định tính chất cơ lý của màng sơn 37

2.3.1 Phương pháp xác định độ bền va đập 37

2.3.2 Phương pháp xác định độ bền uốn dẻo 38

2.3.3 Phương pháp xác định độ cứng tương đối 39

2.3.4 Phương pháp xác định độ bám dính 40

2.3.5 Phương pháp xác định độ bền cào xước 40

2.3.6 Phương pháp xác định độ bền nhiệt ẩm 41

2.3.7 Phương pháp tổng trở 42

2.3.8 Phương pháp thử nghiệm mù muối đánh giá khả năng chống ăn mòn 43

2.3 Quy trình chế tạo sơn 44

PHẦN III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 46

3.1 Khảo sát chế độ thủy phân chế tạo chất tạo màng 46

3.1.1 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng HCl đến phản ứng thủy phân và tính chất cơ lý của màng sơn 46

Trang 4

3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng H2O đến mức độ thủy phân của etyl

silicat và tính chất cơ lý của màng sơn 49

3.2 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng chất tạo màng 51

3.3 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng bột kẽm đến tính chất cơ lý của màng sơn 54

3.4 Khảo sát ảnh hưởng của phụ gia đến tính chất của màng sơn 57

3.4.1 Nghiên cứu lựa chọn phụ gia phân tán sử dụng trong hệ sơn vô cơ giàu kẽm 57

3.4.2 Nghiên cứu lựa chọn phụ gia phá bọt 58

3.5 Khảo sát khả năng chống ăn mòn của hệ sơn lót etyl silicat giàu kẽm bằng phương pháp tổng trở 60

3.6 Khảo sát sự tương thích của sơn lót etyl silicat giàu kẽm với các loại sơn phủ 62

3.7 Đánh giá chất lượng các loại sơn giàu kẽm vô cơ 64

KẾT LUẬN 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

Trang 5

LỜI CẢM ƠN

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc em xin chân thành cảm ơn toàn thể các thầy cô giáo và các cán bộ của Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Polyme nói riêng và trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nói chung đã truyền đạt kiến thức cho em trong những năm học tập tại trường Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Thị Bích Thủy (Viện chuyên ngành Vật liệu xây dựng và bảo vệ công trình thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông vận tải) và PGS.TS Phan Thị Minh Ngọc (Trung tâm NCVL Polyme – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) đã tận tình hướng dẫn em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn các anh, chị tại Viện Chuyên ngành Vật liệu Xây dựng và Bảo vệ công trình (Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông vận tải), gia đình và người thân đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và có nhiều giúp đỡ quý báu để em hoàn thành luận văn này

Hà Nội, ngày 20 – 10 – 2010 Học viên

VŨ THỊ DUNG

Trang 6

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình do chính tôi nghiên cứu và thực hiện trong quá trình nghiên cứu và học tập trong khuôn khổ chương trình cao học công nghệ vật liệu polymer tại Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội.Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về nội dung của luận văn này

Học viên

Vũ Thị Dung

Trang 7

Phần 2: Nêu các phương pháp nghiên cứu được áp dụng trong quá trình thực nghiệm như các phương pháp xác định tính chất vật lý, cơ học của màng sơn, phương pháp tổng trở, phương pháp mù muối

Phần 3: Trình bày các kết quả đã thu được trong quá trình thực nghiệm về việc khảo sát chế độ thủy phân của chất tạo màng, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của màng sơn như ảnh hưởng của chất tạo màng, bột kẽm, và ảnh hưởng của các loại phụ gia, từ đó đưa ra công thức chế tạo sơn giàu kẽm vô cơ tối

ưu Khi nghiên cứu đưa ra được công thức sơn tối ưu, đề tài tiếp tục khảo sát khả năng chống ăn mòn của màng sơn qua phương pháp đo tổng trở đồng thời tiến hành khảo sát sự tương thích của loại sơn lót này với các loại sơn phủ khác nhau

Trang 8

MỞ ĐẦU

Kim loại là vật liệu được sử dụng phổ biến nhất trong các ngành công nghiệp

do nó có một số ưu điểm hơn hẳn các vật liệu khác như độ dẫn nhiệt, dẫn điện cao,

độ bền cơ học cao, độ co thấp, độ kháng kéo cao và độ bền nhiệt cao, và đặc biệt là

từ kim loại dễ dàng chế tạo ra các thiết bị, máy móc… Do những tính năng ưu việt vốn có của kim loại nên kim loại đã xâm nhập vào hầu hết các ngành công nghiệp

để chế tạo các thiết bị, các cấu kiện, máy móc trong các ngành công nghiệp

Sự ăn mòn kim loại do tác động hoá học hoặc vật lý của môi trường xâm thực làm suy giảm tính chất của vật liệu làm giảm chất lượng, giảm thời gian khai thác của máy móc, thiết bị và cấu kiện, và đồng nghĩa với việc này là gây ra tổn thất lớn đối với nền kinh thế quốc dân, đặc biệt đối với các nước có nền công nghiệp đang phát triển Do vậy việc nghiên cứu để bảo vệ kim loại khỏi sự ăn mòn là một

vấn đề có ý nghĩa rất lớn về khoa học và thực tiễn.[1]

Một trong các phương pháp thuận tiện và phù hợp cho việc bảo vệ sự ăn mòn bằng sự cách ly chúng tiếp xúc với môi trường (oxy và hơi ẩm) Ở đây sự bảo vệ kim loại có thể được thực hiện bằng cơ chế bảo vệ catốt hoặc cơ chế rào cản Trong

số các phương pháp bảo vệ ăn mòn có hiêụ quả thì sơn là một công nghệ được sử dụng rộng rãi nhất Sự tác động bảo vệ kim loại chống lại sự ăn mòn phụ thuộc vào các yếu tố như chất lượng màng sơn, đặc tính của kim loại, sự tương tác của màng phủ kim loại và môi trường xâm thực Màng phủ bảo vệ kim loại chống ăn mòn theo cơ chế rào cản và cơ chế sử dụng chất ức chế ăn mòn Trong số các vật liệu sử dụng cho việc bảo vệ kết cấu thép thì vật liệu có chứa kẽm được tìm thấy là loại vật liệu mang lại hiệu quả cao nhất [14, 15] Kẽm có thể ngăn chặn hoặc làm chậm lại

sự ăn mòn của thép theo cơ chế điện hoá hoặc bằng sự sơn phủ bằng loại sơn có chứa hàm lượng kẽm cao được phân tán trong chất tạo màng vô cơ hoặc hữu cơ.Trong những năm gần đây trên thế giới đã và đang tập trung nghiên cứu hệ sơn

đi từ các hợp chất vô cơ nhờ những ưu việt của các hợp chất vô cơ là khả năng chịu nhiệt độ cao và chịu mài mòn hơn hẳn các hợp chất hữu cơ Việt nam nằm trong

Trang 9

các kết cấu thép Do vậy việc “nghiên cứu chế tạo sơn giàu kẽm vô cơ sử dụng

làm sơn lót bảo vệ kết cấu thép” là một vấn đề có ý nghĩa rất lớn về khoa học và

thực tiễn

Trang 10

PHẦN I: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung về ăn mòn kim loại và sự bảo vệ ăn mòn kim loại của màng sơn

1.1.1 Giới thiệu chung về ăn mòn kim loại [4, 19]

Do cấu trúc kim loại không đồng nhất, khi có mặt nước và oxy, trên bề mặt

kim loại xuất hiện các pin tế vi cục bộ và kim loại sẽ bị ăn mòn Quá trình ăn mòn

kim loại xảy ra theo cơ chế điện hoá Để sự ăn mòn xảy ra, phản ứng oxy hoá (sự hoà tan kim loại hoặc sự hình thành oxit) và phản ứng khử catot (như phản ứng khử ion hydro hoặc oxy) phải xảy ra đồng thời

Quá trình ăn mòn sắt xảy ra theo các phản ứng sau:

Phản ứng anốt: Fe  Fe2+ + 2e Phản ứng catốt: O2 + 2H2O + 4e  4OH-

Tổng quát: 2Fe + O2 + 2H2O  2Fe(OH)2

Do có mặt oxy trong không khí nên hydroxyt sắt (II) bị biến đổi thành gỉ sắt:

4Fe(OH)2 + O2 2Fe2O3.H2O + 2H2O

Sơ đồ quá trình ăn mòn thép được đưa ra trong hình 1.1

1.1.2 Sự bảo vệ ăn mòn kim loại của màng sơn [8, 20, 31]

Ăn mòn kim loại là một quá trình điện hoá Bởi vậy có thể ngăn cản ăn mòn

eˉ Thép (Fe)

Fe

O2 Môi trường ăn mòn

Hình 1.1 Sơ đồ quá trình ăn mòn thép

Trang 11

cản dòng ăn mòn trong chất điện phân Ba phương pháp này được gọi là ức chế catot, ức chế anot và ức chế điện trở

 Trong phản ứng catot tác nhân phản ứng là oxy và nước Thực nghiệm chứng

tỏ rằng các màng sơn có độ dày bình thường không thể ngăn cản hoàn toàn oxy và nước thấm qua màng, có nghĩa là màng sơn không thể hiện tác dụng

ức chế catot một cách triệt để

 Phản ứng anot là quá trình dịch chuyển ion kim loại vào chất điện phân kèm theo việc giải phóng điện tử lưu lại trong kim loại Có thể ức chế anot theo hai cách:

 Cung cấp đầy đủ điện tử cho kim loại để ngăn cản các ion kim loại đi

ra khỏi bề mặt Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các màng sơn bảo vệ catot chứa các bột màu kim loại có thế ăn mòn thấp hơn thế ăn mòn của kim loại cần bảo vệ, như sơn giàu kẽm

 Sắt ở ngoài không khí thường bị oxy hoá tạo thành màng oxyt, tuy nhiên do tính không đồng nhất về thành phần và cấu trúc cho nên ăn mòn kim loại vẫn tiếp tục xảy ra Có hai nhóm bột màu có tác dụng ức chế ăn mòn, làm dày thêm, hoàn thiện thêm màng oxyt và ngăn cản quá trình ăn mòn Nhóm thứ nhất là các oxyt kim loại như oxyt sắt, oxyt chì, oxyt kẽm và nhóm thứ hai là các bột màu có khả năng thụ động như bột cromat, photphat và molybdat

 Ức chế điện trở là cơ chế bảo vệ chung nhất được thực hiện bởi màng sơn Khi phủ trên bề mặt kim loại, có nghĩa là đặt một điện trở vào mạch điện hoá, sự di chuyển ion kim loại từ bề mặt kim loại vào dung dịch chất điện ly

bị ngăn cản Do đó ăn mòn kim loại được ngăn cản hoặc ít nhất cũng giảm xuống giá trị thấp

Nói chung các tính chất bảo vệ của màng sơn được xác định bởi khả năng hoạt động điện hoá của nó, mà bản thân khả năng này phụ thuộc vào cấu trúc màng, bản chất các nhóm chức, độ dẫn ion, và khả năng thụ động của bột màu

Trang 12

Thông thường hệ sơn phủ bảo vệ kim loại bao gồm ba lớp: lớp sơn lót, lớp sơn trung gian và lớp sơn phủ bên ngoài Mỗi lớp có chức năng và yêu cầu kỹ thuật khác nhau tuỳ thuộc vào môi trường ăn mòn Trong thực tế, tuỳ theo mục đích sử dụng số lớp sơn có thể nhiều hoặc ít hơn

Chức năng chính của lớp sơn lót là ngăn cản ăn mòn kim loại Một sơn lót lý tưởng có các tính chất sau [2,3]:

- Tốc độ bay hơi dung môi thích hợp, đảm bảo sơn khô trong thời gian cho phép

- Bám dính tốt với bề mặt kim loại

- Độ bền cào xước và va đập cao

- Đủ mềm dẻo để thích hợp với sự thay đổi kích thước của kim loại

- Phải có bề mặt tốt cho việc sơn các lớp tiếp theo

- Khi sử dụng các bột màu ức chế ăn mòn, các bột màu này phải không độc hại và hàm lượng bột màu phải đủ

- Mức độ thẩm thấu nước và oxy thấp

Sơn trung gian là loại sơn chứa lượng bột màu, chất độn cao, chúng được sơn trực tiếp trên sơn lót và cung cấp nền cần thiết cho lớp sơn phủ bên ngoài Sơn trung gian cần có các tính chất sau:

- Màu sắc phải tương tự và nhạt màu hơn lớp sơn phủ bên ngoài

Lớp sơn phủ chịu tác dụng trực tiếp của môi trường ăn mòn Tuỳ theo bản chất môi trường ăn mòn và loại sơn lót hoặc loại sơn trung gian sử dụng, người ta lựa chọn loại sơn phủ thích hợp Màng sơn phủ phải bám dính tốt với sơn lót hoặc

Trang 13

sơn trung gian, bền trong môi trường ăn mòn Bên cạnh tính chất bảo vệ chống ăn mòn, màng sơn phủ còn có chức năng trang trí bên ngoài cho kết cấu cần bảo vệ

1.2 Giới thiệu chung về sơn vô cơ giàu kẽm

1.2.1 Khái quát chung

Sơn lót giàu kẽm với chất tạo màng vô cơ đã được sử dung trong cách đây khoảng 40 năm Trong hợp phần có chứa 80 – 95% khối lượng bột kẽm Chất tạo màng vô cơ được sử dụng là kiềm silicat hoặc alkyl silicat, các chất này có thể phản ứng với các hạt kẽm trong màng phủ để hình thành nền kẽm silicat bao quanh các hạt kẽm Đồng thời, chất tạo màng trên cơ sở silicat có thể phản ứng hoá học với nền thép Kết quả tạo ra sự bám dính tuyệt vời với nền thép và khả năng chịu mài mòn của màng sơn khô tốt Trong đó chất tạo màng trên cơ sở alkyl silicat là loại chất tạo màng được sử dụng phổ biến trong những năm gần đây [27]

1.2.2 Lịch sử phát triển của sơn vô cơ giàu kẽm [10, 12]

Các lớp phủ kẽm vô cơ lần đầu tiên được thử nghiệm bởi Victor Nightingall người Úc vào những năm 1940 Ông đã tiến hành trộn bột kẽm với natri silicat để tạo ra một lớp phủ thay thế lớp mạ, đồng thời tiến hành các thí nghiệm sử dụng các loại phụ gia để tạo ra các lớp phủ cô cơ có tuổi thọ cao và có khả năng chống ăn mòn tốt Loại lớp phủ vô cơ được thử nghiệm đầu tiên tại đường ống Morgan Wyal-

la với màng phủ được bảo đảm trong 20 năm Tiếp đó, kế thừa và phát triển các thành tựu về các lớp phủ kẽm vô cơ, vào những năm 1950 người Mỹ đã tiến hành các nghiên cứu để phát triển loại sản phẩm này

Việc nghiên cứu các lớp phủ kẽm đã được tiếp tục bởi các công ty trên toàn thế giới Một số lớp phủ đã được thử nghiệp bao gồm các tỉ lệ natri oxit khác nhau, natri silicat, kali silicat, liti silicat, etyl silicat, amoni silicat, các muối phot phat, ti-tanat, borat, keo silica trong dung môi, và việc kết hợp của chúng

Sử dụng etyl silicat là một bước phát triển diễn ra không lâu sau sự phát triển của kẽm vô cơ và đã được cấp chứng nhận vào cuối những năm 1950 đầu 1960

Nhiều hãng nổi tiếng trên thế giới luôn đi đầu trong việc nghiên cứu phát triển, chế tạo và cung cấp các nguyên liệu đầu cho công nghiệp sơn cũng như chế

Trang 14

tạo và cung cấp các loại sơn giàu kẽm vô cơ chất lượng cao, thích hợp để bảo vệ kết cấu thép các công trình và phương tiện giao thông vận tải cho toàn thế giới Trong

số đó phải kể đến các hãng như: Ameron, Carboline, Hempel’s Marine Paints, ternational Paint, Jotun, Mobil Chemical và Sigma Coatings

In-1.2.3 Phân loại [9, 11]

Sơn lót giàu kẽm có thể phân chia thành các dạng khác nhau dựa vào chất kết dính và dung môi sử dụng Các nhóm chủ yếu được sử dụng trong công nghiệp ngày nay được phân loại như trình bày ở hình 1.2

Trang 15

Tính chất đặc trưng của các loại sơn lót giàu kẽm thông thường được so sánh trong bảng 1.1 Từ các tính chất chung nhất của một số sơn lót giàu kẽm ở bảng 1.1

có thể thấy sơn giàu kẽm trên cơ sở etyl silicat có một số tính chất nổi trội hơn so với sơn lót trên cơ sở chất tạo màng hữu cơ

Bảng 1.1: Tính chất đặc trưng của lớp sơn lót giàu kẽm

Tính chất

Silicat kim loại kiềm

Ethyl Silicat

Epoxy dung môi

Epoxy nước

7 Thời gian khô hoàn toàn,

Không sử dụng

12 Hàm lượng chất rắn tính

15 Điều kiện thi công sơn Máy phun

sơn

Máy phun sơn

Dễ thi công

Trang 16

1.2.4 Hệ sơn lót giàu kẽm [22]

- Phủ lớp sơn lót giàu kẽm trên bề mặt kim loại là phương pháp có hiệu quả trong bảo vệ chống ăn mòn Thực tế cho thấy để đạt được hệ thống lớp phủ có tuổi thọ cao thì cần dùng lớp sơn lót giàu kẽm như một lớp phủ đầu Kẽm cung cấp hai yếu tố bảo vệ chống ăn mòn:

- Bịt kín (cách ly) bề mặt kim loại không để tiếp xúc với môi trường ăn mòn, hiệu ứng màn chắn ngăn cản oxy và nước, tránh hình thành sự ăn mòn trên bề mặt thép (hình 1.3)

- Cung cấp điện cực bảo vệ ( hình 1.4) Sự có mặt của các điện tích âm trong lớp sơn lót kẽm sẽ bị đoản mạch trên tất cả các phần pin hoạt động trên thép Thép

sẽ trở thành các catot với anot là kẽm Xảy ra sự ăn mòn kẽm nhưng thép sẽ không

bị ăn mòn thậm chí ngay cả những điểm không có Zn bao phủ Do đó, bề mặt thép phải được làm sạch loại bỏ tất cả các chất bẩn và tạp chất để lớp phủ Zn tiếp xúc điện với bề mặt thép tốt

Hình 1.3: Bít kín bề mặt kim loại không tiếp xúc với môi trường ăn mòn

Nước + Không khí

Trang 17

Hình 1.4: Cung cấp điện cực bảo vệ

So sánh với sơn trên cơ sở chất kết dính là epoxy thì sơn trên cơ sở chất kết

dính silicat có thể được phủ màu với kẽm ở hàm lượng cao, do đó đặc tính bảo vệ

catot đạt được như với việc bảo vệ kim loại bằng phương pháp mạ kẽm Đây là

hướng đi mới trong ngành công nghiệp sơn.[16]

1.2.5 Đặc tính của màng phủ trên cơ sở etyl silicat [5, 11, 12]

Thép không tinh khiết (ví dụ thép cacbon) hoạt động giống như các pin tế vi

gây ra gỉ Sắt đầu tiên bị oxy hoá thành ion hoá trị 2 Khi có mặt của kim loại với

điện thế thấp hơn (ví dụ như kẽm) thì kim loại này sẽ bị oxy hoá trước Điện tử

được giải phóng chống lại sự oxy hoá sắt

Zno Zn2+ + 2 e

2e- + Fe2+ Feo

Theo đó sự oxy hoá của sắt chỉ bắt đầu khi tất cả các kim loại kẽm bị oxy

hoá hết Qúa trình này chỉ xuất hiện nếu ở đó có đủ khả năng dẫn điện (sự tiếp xúc)

giữa kẽm và sắt Do đó việc làm sạch bề mặt nền kim loại là rất quan trọng để đảm

bảo hiệu quả bảo vệ ăn mòn của màng phủ

Chất tạo màng etyl silicat được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng nhiệt độ

cao và chịu ăn mòn Màng phủ etyl silicat giàu kẽm cho sự bảo vệ sắt thép chống lại

sự ăn mòn tốt và khả năng chịu nhiệt độ lên tới 400oC.[17]

Sơn etyl silicat kẽm có thể được thi công bằng phương pháp phun có hoặc

không có không khí trực tiếp lên bề mặt đã được làm sạch Loại sơn này ít khi được

Nền thép Lớp sơn lót giàu kẽm Lớp điện hoá

Trang 18

thi công bằng phương pháp dàn trải hoăc lô Màng sơn có chiều dày từ 15 ÷ 20 µm tới 50 ÷ 70 µm và có thể lên tới 100 µm cho sơn đơn lớp Các thành phần của sơn 2 cấu tử phải được khuấy sau khi trộn để ngăn chặn sự sa lắng

Màng sơn etyl silicat kẽm có thể được bao phủ bởi nhiều hệ sơn phủ Điều này là rất cần thiết trong môi trường axit hoặc kiềm để ngăn chặn kẽm khỏi sự tấn công Ngoài ra loại chất tạo màng etyl silicat cũng là loại sử dụng phù hợp cho sơn chịu UV

1.2.6 Cơ chế đóng rắn của màng phủ silicat giàu kẽm [11, 21]

Màng phủ vô cơ giàu kẽm trên cơ sở etyl silicat đã thuỷ phân có bản chất tự đóng rắn Sự đóng rắn của màng phủ này khác với sự đóng rắn của màng phủ silicat

vô cơ trên cơ sở silicat của kim loại kiềm

Trong màng phủ silicat kiềm hệ nước, nước bị mất đi trong suốt quá trình đóng rắn Trong khi đó màng phủ trên cơ sở etyl silicat sự đóng rắn bao gồm phản ứng thuỷ phân trùng ngưng theo hai giai đoạn sau:

- Giai đoạn 1 tuân theo phản ứng như sau:

- Giai đoạn 2: Sản phẩm của phản ứng trên tham gia phản đa tụ trùng ngưng như sau:

Trang 19

Trong suốt quá trình đóng rắn, dung môi bị mất đi do quá trình bay hơi dung môi dẫn đến sự cô đặc của hỗn hợp etyl silicat

Hơi ẩm và khí cabonic trong không khí phản ứng với nhau theo phản ứng

Axit cacbonic này là nguyên nhân gây ra sự ion hoá kẽm trên bề mặt các hạt kẽm Nước mang tính axit sẽ giúp cho quá trình thuỷ phân hoàn toàn chất tạo màng

đã thuỷ phân trước tạo thành axit silicic như sau:

Ion kẽm sau đó phản ứng với nhóm silanol trên phân tử silicat trong cấu trúc gel silicat

Trang 20

Tại thời điểm này một số phản ứng giữa axit poly silicic và bề mặt thép cũng được thực hiện và hình thành liên kết hoá học Liên kết này ngăn chặn sự xâm nhập của hơi ẩm và sự phồng rộp của màng sơn như trong trường hợp màng phủ hữu cơ

Các phản ứng sẽ được thực hiện trong một chu kỳ dài và phụ thuộc vào môi trường mà màng phủ kẽm được áp dụng

Độ ẩm và CO2 trong không khí tạo ra môi trường axit nhẹ tạo điều kiện cho

sự thuỷ phân và sự ion hoá kẽm liên tục

Ion kẽm phân tán sâu vào trong cấu trúc gel cho đến khi nền kẽm silicat được hình thành xung quanh mỗi hạt kẽm kết hợp cùng với màng phủ và bề mặt của thép

Trang 21

* Sự tương tác giữa nền và lớp phủ

Nền kim loại thường chứa các kim loại hoặc ion các kim loại Al, Fe, Zn, Khi đưa lớp phủ silicat kẽm lên bề mặt kim loại sẽ xảy ra phản ứng hóa học giữa silicat với các kim loại hoặc ion các kim loại trền bề mặt đó, giống như liên kết của các hạt kẽm khi phản ứng đóng rắn và hình thành màng sơn silicat kẽm Như vậy giữa màng sơn và nền tạo nên liên kết hóa học bền chắc, cho độ bám dính cao Hình 1.5 thể hiện bám dính hoá học giữa đế thép và chất kết dính vô cơ silicat

Trang 22

Hình 1.5 Màng sơn silicat liên kết hoá học với ion Fe của nền kim loại

Do vậy, đối với sơn lót vô cơ giầu kẽm để có tính chất bám dính tốt phụ thuộc rất nhiều vào việc làm sạch bề mặt Bề mặt thép cần phải làm sạch đạt đến độ nhẵn bề mặt Sa 2 ½ [26]

1.2.7 Hiệu quả chống ăn mòn của hệ sơn vô cơ silicat-kẽm [29]

Hiệu quả bảo vệ chống ăn mòn và thế điện cực có thể dễ dàng được minh họa bởi việc kiểm tra trở kháng Điện thế của thép trong nước biển khoảng -650

mVSCE (điện cực calomet bão hòa) và kẽm có điện thế khoảng -1050 mVSCE Điện thế dưới -800 mV thì lớp phủ vẫn có khả năng bảo vệ catot Trên mức này thì lớp phủ chỉ cho hiệu quả che chắn Đối với lớp sơn giàu kẽm chỉ sử dụng làm lớp lót thì mức điện thế trong khoảng -900 và -1050 mV phụ thuộc vào dạng của chất tạo màng, hàm lượng kẽm và độ dày màng sơn phủ Hãng sơn Jotun đã nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng kẽm, độ dày màng đến tính chất ăn mòn điên thế của màng sơn Kết quả kiểm tra được thể hiện trên hình 1.6, kết quả kiểm tra 4 mẫu sơn khác nhau trên 4 mẫu tấm thử cho thấy sơn etyl silicat kẽm với 86% bột kẽm, độ dày màng phủ 75m cho điện thế thấp nhất Các tấm khác được phủ với sơn epoxy kẽm điện thế ban đầu tương tự nhau không phụ thuộc vào hàm lượng kẽm sử dụng và độ dày màng sơn Quan sát quá trình cho thấy với hàm lượng kẽm ảnh hưởng nhiều đến điện thế ăn mòn hơn so với ảnh hưởng của chiều dày màng sơn, hàm lượng kẽm

Thép

Trang 23

cao hơn thì điện thế ăn mòn thấp hơn Điều này đƣợc giải thích là do tính dẫn điện

tốt hơn khi hàm lƣợng kẽm cao hơn

Hình 1.6 Sự phát triển của điện thế tính bằng mV trong 100 ngày của lớp lót giàu kẽm với các hàm lƣợng kẽm, độ dày màng và chất tạo màng khác nhau

Sau một thời gian, tính dẫn điện giảm khi kẽm phản ứng và tạo muối thay thế Muối này sẽ lấp đầy các lỗ rỗng trong lớp màng và khi đó lớp sơn lót sẽ có điện thế cao hơn cho đến khi sự bảo vệ chỉ còn lại hiệu quả che chắn Lớp màng có độ dày cao hơn cũng góp phần bảo vệ chống ăn mòn tốt hơn Kết quả kiểm tra các mẫu thí nghiệm với sơn lót epoxy tại hàm lƣợng kẽm thấp với độ dày màng khác nhau đƣợc phơi ở bờ biển cho thấy: với bề mặt có độ dầy màng phủ 15 m thì bị lấp đầy

rỉ trên khắp bề mặt mẫu trong khi với bề mặt có độ dầy 35 m thì bắt đầu có rỉ trên các điểm lồi nhất Bề mặt có độ dầy lớp phủ 80m thì vẫn bảo vệ các điểm lồi nhất

và chƣa nhìn thấy hiện tƣợng ăn mòn Tuy nhiên, hiệu quả không cao bằng khi tăng hàm lƣợng kẽm sử dụng

Trang 24

Đo điện thế là phương pháp kiểm tra tốt nhất để đánh giá hiệu quả chống ăn mòn của sơn lót giàu kẽm Phần lớn sơn lót kẽm vẫn có đặc tính bảo vệ catot sau

100 ngày, với sơn lót sử dụng hàm lượng kẽm cao, độ dầy màng lớn thì đặc tính bảo

vệ catot được duy trì trên 300 ngày

Hình 1.7: Kiểm tra điện thế trên tấm kiểm tra với thí nghiệm cào xước

Với mẫu thử có vết xước được tạo theo tiêu chuẩn thì chỉ sau 4 ngày điện thế

đã tăng 123 mV, trong khi mẫu không bị cào xước thì phải trên 100 ngày mới có sự tăng điện thế như vậy Phương pháp đo điện thế không chỉ hiệu quả để đánh giá lớp sơn lót giầu kẽm, phương pháp này còn dùng để đánh giá hiệu quả bảo vệ của cả hệ sơn hệ (bao gồm lớp sơn lót, sơn trung gian, sơn phủ) Điện thế hệ sơn cao hơn hoặc thấp hơn so với thép thì quá trình ăn mòn đều không xảy ra Hiệu quả chống ăn mòn của hệ sơn lót vô cơ giàu kẽm còn có thể được đánh giá bằng phương pháp thử nghiệm mù muối.[13, 28]

1.2.8 Ứng dụng [11]

Do khả năng bảo vệ ăn mòn tuyệt vời của các màng phủ này trên nền thép, các màng phủ này được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Sau đây là một

số khu vực được ứng dụng:

Trang 25

1.2.8.1 Các công trình cảng Hàng trăm các công trình dàn khoan và sản

phẩm được sơn phủ với sơn vô cơ giàu kẽm silicat, ở các vị trí có độ ẩm cao trong vùng khí hậu nhiệt đới của Indonesia, Singapo, Mỹ và trải dài tới vùng Arctic của biển Alaska và các biển phía bắc Màng phủ vô cơ trên cơ sở etyl silicat đã thuỷ phân được sử dụng riêng lẻ hoặc cùng với lớp sơn phủ khác

1.2.8.2 Cầu đường Cầu cũng như các công trình ngoài bờ biển có thể bị hư

hại nghiêm trọng do sự ăn mòn, có thể với rất nhiều công trình cầu được hình thành

từ các cấu trúc thép, với các góc cạnh, các kẽ hở và các khuyết tật bề mặt ở trong các hình dạng Một cây cầu được sơn phủ sớm nhất là cầu Draw bắc ngang qua sông Tidal ở Florida Cầu được sơn phủ vào năm 1956 với các phần khó nhất của cấu trúc cũng được bảo vệ đầy đủ Nó vẫn được bảo vệ tốt bởi lớp sơn phủ đầu tiên

từ kẽm silicat vô cơ Các cầu khác như cầu Baleman ở Tasmania được sơn phủ để cách ly, cầu cổng vàng ở đường ống Morgan Whylla là những ví dụ về sự bảo vệ của sơn vô cơ giàu kẽm trong nhiều năm

1.2.8.3 Trong vùng chứa năng lượng hạt nhân Một ứng dụng hấp dẫn khác

của sơn vô cơ giàu kẽm silicat là sự bảo vệ ở vùng năng lượng hạt nhân Bề mặt thép trong các thiết bị phản ứng yêu cầu sơn phủ với thời gian sống mong muốn là

40 năm Do đó với hy vọng là màng sơn có độ bền cao và không phải sơn lại khi hệ thống đi vào hoạt động Sơn lót vô cơ giàu kẽm trên cơ sở alkyl silicat được sử dụng trong các ứng dụng hạt nhân với nhiều lý do Các lớp sơn lót này phải có chiều dày tối thiểu là 3.0 mil, các màng phủ này không bị tác động bởi các tia γ và các tia sinh ra từ sự bắn phá hạt nhân

1.2.8.4 Sơn các bể chứa Đây là một trong các lĩnh vực chủ yếu sử dụng sơn

vô cơ giàu kẽm, bao gồm các thùng vận chuyển, đặc biệt là vận chuyển nhiên liệu Sơn vô cơ giàu kẽm silicat phù hợp cho việc sơn phủ các tank chứa các sản phẩm dầu mỏ, nhiên liệu, chất bôi trơn, các loại dung môi, hydro cacbon clo hoá…

Trang 26

Etyl silicat với tên thường gọi là tetra etyl ortho silicate (TEOS) là loại được

sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng Khi được thủy phân với mức độ thích hợp, etyl silicat tạo ra các hạt silica rất mịn mà có thể hoạt động như một chất tạo màng

để bám dính các thành phần để tạo ra các hình dạng ceramic hoặc tạo ra các màng phủ chống ăn mòn khi kết hợp với bột kẽm

* Chế tạo etyl silicate

TEOS, Si(OC2H5)4 có thể được tổng hợp theo 1 trong 2 con đường sau:

- Đầu tiên đi từ phản ứng trực tiếp của silicon kim loại và rượu etyl:

Do đó TEOS thường được tổng hợp theo phương pháp 1 (phương pháp trực tiếp).[30]

Alkyl silicat bình thường không có khả năng tạo màng nhưng khi được thuỷ phân với một lượng nước được tính toán trong sự có mặt của xúc tác axit, bazơ, các alkyl silicat sẽ có khả năng tạo màng [18] Trên cơ sở xúc tác phân ra hai loại màng phủ sau:

- Màng phủ xúc tác kiềm

Để thuỷ phân etyl silicat, sử dụng các bazơ như ammoniac, ammoni

Trang 27

hydrox-LuËn v¨n tèt nghiÖp Vò ThÞ Dung CNVL Polyme 2008 - 2010

Một trở ngại lớn nhất trong quá trình thủy phân này là với sự có mặt của một lượng nhỏ nước có thể làm cho silicat chuyển sang dạng gel Để khắc phục hiện tượng này cần phải điều chỉnh từng bước một và nhất thiết phải loại nước trong các giai đoạn sản xuất và trong thiết bị thi công

- Màng phủ xúc tác axit

Trong trường hợp này, sự đóng rắn nhanh có thể đạt được trong hầu hết các điều kiện Tuy nhiên giai đoạn mà phần silicat còn lại thuỷ phân ổn định là có giới hạn Màng phủ trên cơ sở chất tạo màng axit chủ yếu là hệ hai cấu tử Với loại sơn một cấu tử, kẽm phản ứng hoá học với xúc tác axit có mặt trong hệ thống chất tạo màng, do đó pH của hệ sẽ tăng lên, đó là nguyên nhân dẫn đến sự gel hoá trong thùng chứa Axit clohydric, axit sulfuric, axit photphoric, axit formic là các loại axit

thường được sử dụng

1.3.2 Sự thuỷ phân của etyl silicat [11, 14]

Etyl silicat bản thân nó không có khả năng tạo màng Để có thể sử dụng etyl silicat làm chất tạo màng, etyl silicat nhất thiết phải thuỷ phân

Thông thường sự thuỷ phân etyl silicat được thực hiện nhờ xúc tác axit hoặc bazơ Sự thuỷ phân dưới điều kiện kiềm thường dẫn đến sự gel hoá nhanh chóng

Sự thuỷ phân dưới xúc tác kiềm chỉ thích hợp khi etyl silicat sử dụng cho quá trình sản xuất vật liệu chịu lửa Còn trong công nghiệp sản xuất sơn sử dụng phổ biến là thuỷ phân với xúc tác axit

Một số nhà khoa học đã tiến hành chế tạo chất tạo màng silicat bằng cách thuỷ phân etyl silicat 40 trong dung môi butyl cellosolve trong sự có mặt của xúc tác axit và nước tại 140o

C Sự thủy phân etyl silicat có thể được tiến hành nhanh chóng khi sử dụng axit photphoric với hàm lượng lớn

Etyl silicat được thuỷ phân với xúc tác axit để tạo ra một dạng gel Tuy nhiên thời gian sống của dạng gel này tương đối ngắn gây khó khăn cho quá trình sử dụng Do vậy một yêu cầu đặt ra là phải tạo ra dạng gel có thời gian sống dài, có giá trị thương mại cao Các dung dịch này là loại thực tế được sử dụng trong sơn ngày nay

Trang 28

Etyl silicat thuỷ phân có thời gian sống dài có thể đạt được bằng cách lựa chọn cẩn thận tỷ lệ của etyl silicat, dung môi, axit và nuớc Nếu etyl silicat được xử

lý đồng thời với monoete glycol cùng với sự tác động của rượu và nước trong quá trình thuỷ phân có thể tạo ra một dung dịch thuỷ phân với thời gian sống dài Thông thường etyl silicat có mức độ thuỷ phân 80 – 90% là loại chất tạo màng thích hợp

1.3.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng chính đến sự hình thành chất tạo màng etyl silicat

Lượng nước và lượng xúc tác sử dụng trong quá trình thủy phân là những yếu tố rất quan trọng, có ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng tạo màng của etyl silicat

1.3.2.1.1 Ảnh hưởng của hàm lượng nước

Nước được sử dụng trong quá trình thủy phân phải được tính toán sau khi trừ

đi lượng nước (nếu có) trong công thức sơn (các bột màu độn và dung môi được sử dụng) Lượng nước quá nhiều trong công thức có thể dẫn đến sự gel hoá hệ tạo màng trong bình chứa hoặc khả năng thi công kém và sự gel hoá của hỗn hợp sơn trong thiết bị thi công Lượng nước ít hơn lượng nước tối ưu có thể dẫn đến màng sơn không đóng rắn, độ cứng kém và chất lượng của màng sơn kém.[6]

1.3.2.1.2 Tác động của lượng axit

Lượng axit ít hơn lượng tối ưu có thế dẫn đến silica bị kết tủa một phần, do

đó lượng silica tham gia vào sự hình thành chất tạo màng bị suy giảm Nếu lượng axit vượt quá sẽ dẫn đến làm tăng sự ngưng tụ của các nhóm silianol với silanol (≡ SiOH) hoặc với nhóm alkoxy (≡SiOR) dẫn đến kết quả làm giảm thời gian sống của chất tạo màng.[6]

1.3.2.2 Hoá học của chất tạo màng etyl silicat

Etyl silicat có chứa một số nhóm silanol và nhóm alkoxy Các nhóm silanol này tham gia vào phản ứng hoá học trong quá trình hình thành màng phủ Một số phản ứng của chúng được đưa ra sau

1.3.2.2.1 Phản ứng xúc tác axit

Đầu tiên, oxy của nhóm silanol được proton hoá tạo ra sản phẩm trung gian

Trang 29

Sản phẩm trung gian này sau đó phản ứng với silanol, và kết quả hình thành liên kết silosan

Trang 30

Cầu nối dị thể kẽm silanol sau đó phản ứng hoá học sâu hơn hình thành lymer kẽm silicat

po-1.4 PHỤ GIA

1.4.1 Phụ gia phân tán [20, 24, 25]

Trong quá trình chế tạo sơn cần chú ý để đạt được sự phân tán đồng đều của hỗn hợp bột độn và bột màu trong môi trường sơn lỏng Để phân tán đồng đều phải nghiền các cục bột màu bị vón và thấm ướt đồng đều từng hạt bột màu với môi trường sơn lỏng Để làm ướt bề mặt sơn, các bọt khí và nước hấp thụ trên bề mặt của bột màu phải được thay thế bằng môi trường sơn Trên thực tế, bề mặt của bột màu khác nhau về khả năng thấm ướt Một số dễ dàng thấm ướt với nước đó là những chất ưa nước Các bề mặt khác chỉ thấm rất ít với nước nhưng lại thấm dễ

Trang 31

là những chất ưa dầu Tuy nhiên trong thực tế có nhiều bột màu- môi trường rất khó phân tán ví dụ: bột màu hữu cơ trong nước, trong các loại nhũ tương, than đen trong sơn dung môi…

Quá trình thấm ướt có thể tiến hành dễ dàng hơn bằng cách đưa vào những chất phân tán bột màu hay còn gọi là những chất hoạt tính bề mặt Các chất hoạt tính bề mặt là những chất hữu cơ có chứa các nhóm có cực (ưa nước) và không cực

(kị nước, ưa dầu)

Có nhiều giai đoạn xảy ra trong quá trình phân tán bột màu Có thể phân quá trình này thành 3 bước như sau:

 Bước 1: Thấm ướt bột màu Tất cả khí và hơi ẩm trên bề mặt bột màu được

thay thế bởi dung dịch nhựa Tương tác bề mặt rắn – khí giữa bột màu và khí được thay thế bởi tương tác rắn – lỏng giữa bột màu và dung dịch nhựa Dung dịch nhựa phải thấm ướt toàn bộ không gian giữa các hạt bột màu

 Bước 2: Phân tán bột màu Nhờ năng lượng cơ học (va chạm hoặc lực cắt),

các khối bột màu kết tụ phá vỡ và giảm kích thước

 Bước 3: Ổn định phân tán Các hạt bột màu sau khi phân tán cần được ổn

định để ngăn chặn sự kết tụ không mong muốn Các hạt bột màu cần được giữ khoảng cách phù hợp với nhau để chúng không thể tạo được kết tụ Trong hầu hết các ứng dụng, sự ổn định mong muốn là sự phân tách của các hạt bột màu, tuy nhiên trong một số trường hợp, sự ổn định thu được nhờ kết tụ có điều chỉnh

Bước 1 và bước 3 chịu ảnh hưởng của phụ gia Các loại phụ gia thấm ướt xúc tiến quá trình thấm ướt bột màu bởi nhựa, các loại phụ gia phân tán ổn định sự phân tán bột màu Thông thường các phụ gia có cả chức năng thấm ướt lẫn ổn định phân tán bột màu

Trang 32

Hình 1.8: Quá trình phân tán bột màu

Sự thấm ướt bột màu của dung dịch nhựa bị ảnh hưởng của nhiều yếu tố: bán kính mao quản trong các khối bột màu, độ nhớt dung dịch nhựa, sức căng bề mặt của nhựa, góc tiếp xúc giữa nhựa và bột màu Phụ gia thấm ướt là những chất có khả năng làm giảm góc tiếp xúc giữa bột màu và dung dịch nhựa và kết quả là làm tăng tốc quá trình thấm ướt của nhựa vào trong cấu trúc của hạt bột màu Đặc trưng của các chất này là cấu trúc hoạt động bề mặt của chúng Đó là sự kết hợp của một phần phân cực- ái nước với một phần không phân cực – kị nước Về mặt hoá học, các loại phụ gia thấm ướt được chia thành loại ion và phi ion

Phụ gia phân tán hấp thụ lên bề mặt bột màu và duy trì khoảng cách thích hợp giữa các hạt bột màu nhờ hiệu ứng đẩy tĩmh điện hoặc cản trở không gian, do

đó giảm xu hướng kết tụ của bột màu

Hiệu ứng đẩy tĩnh điện: Các hạt bột màu trong sơn lỏng mang điện tích trên

bề mặt Qua việc sử dụng phụ gia, điện tích có thể tăng và hơn nữa các hạt bột màu được tích điện cùng dấu Các cặp ion tập chung sát bề mặt hạt bột màu (trong pha lỏng) tạo thành một lớp điện tích kép Độ ổn định tăng theo chiều dày lớp điện tích kép Cơ chế ổn định nhờ lực đẩy tĩnh điện đặc biệt hữu ích đối với hệ nhũ tương Về hoá học, các phụ gia này là những chất điện ly khối lượng phân tử cao có chứa nhiều điện tích tại các nhánh Do cấu trúc hoá học, các phụ gia phân tán này cũng thể hiện tính chất thấm ướt, do đó trên thực tế không cần kết hợp chúng với các phụ gia thấm ướt khác

Trang 33

Hình 1.9: Hiệu ứng tĩnh điện Hiệu ứng cản trở không gian: Các phụ gia phân tán kiểu cản trở không gian

có cấu trúc đặc trưng Thứ nhất, tất cả các phụ gia loại này đều chứa một hay nhiều nhóm ái lực – nhóm kết dính mà tạo ra sự hấp phụ bền lên bề mặt hạt bột màu Thứ hai, tất cả các phụ gia chứa các mạch hydrocacbon tương hợp nhựa Sau khi phụ gia được hấp phụ trên bề mặt bột màu, các chuỗi này duỗi ra, hướng vào dung dịch nhựa xung quanh Lớp hấp phụ phân tử của phụ gia với các mạch nhô ra được gọi là hiệu ứng cản trở không gian Hiệu ứng ổn định trên được tăng thêm bởi tương tác của các segment trong phân tử của phụ gia và nhựa theo cách làm tăng lớp bao quanh hạt bột màu Cơ chế ổn định này xảy ra trong các hệ dung môi Với cấu trúc đặc biệt bao gồn sự kết hợp của các nhóm ái bột màu (phân cực) và các nhóm tương hợp nhựa (không phân cực), các phụ gia này cũng thể hiện tính chất hoạt động bề mặt, hay nói một cách khác là chúng không chỉ ổn định phân tán bột màu, mà chúng còn có chức năng của phụ gia thấm ướt

Hình 1.10: Hiệu ứng cản trở không gian

Trang 34

1.4.2 Phụ gia chống tạo bọt [20, 23]

Bọt được tạo ra trong suốt quá trình sản xuất sơn, dẫn tới thùng chứa không

sử dụng được hết thể tích làm việc và gây ra nhiều vấn đề về đường ống dẫn Bọt cũng được tạo ra trong quá trình thi công gây ra các hư hỏng bề mặt Bọt trong màng sơn không chỉ gây mất tính thẩm mỹ mà còn làm giảm hiệu quả bảo vệ của màng sơn Vì thế, chất chống tạo bọt là một thành phần có mặt trong hầu hết các công thức sơn Các thành phần trong hệ sơn có ảnh hưởng đến khả năng tạo bọt, có thể tăng cường hoặc làm suy giảm Các tính chất bề mặt cần sơn và các thông số của quá trình áp dụng cũng có ảnh hưởng nhiều đến việc tạo bọt Bọt là trạng thái phân tán của pha khí trong pha lỏng với đặc điểm là bề mặt phân chia pha cực lớn Chất lỏng tạo thành màng bao quanh một thể tích riêng rẽ của các bọt khí Về mặt năng lượng, mọi hệ chất lỏng đều có xu hướng giảm sức căng bề mặt còn nhỏ nhất

có thể Vì vậy bọt tồn tại ở trạng thái năng lượng cao và chỉ có thể duy trì nếu có sự

ổn định bọt Ngay khi được tạo ra, các bọt khí nổi lên bề mặt chất lỏng Khi bọt khí

di chuyển đến bề mặt chất lỏng, chất lỏng bắt đầu chảy khỏi lớp màng bao quanh bọt khí Quá trình chảy này làm cho lớp màng mỏng dần và đến khi chiều dày lớp màng nhỏ hơn 10nm, lớp màng bị mất đi tính toàn vẹn của nó và bọt khí bị vỡ ra Các chất lỏng tinh khiết không thể có bọt do trạng thái ổn định của bọt không được tạo ra Để tạo ra bọt ổn định, cần phải có chất ổn định bọt trong pha lỏng Nói chung các chất ổn định bọt là các chất hoạt động bề mặt có đặc tính là có cả nhóm kị nước

và ái nước trong cùng một phân tử Nhờ có thành phần cấu trúc này, các phân tử chất hoạt động bề mặt tự định hướng trên bề mặt phân chia pha, làm giảm sức căng

bề mặt, tạo ra các điều kiện cần thiết cho sự ổn định bọt

Trang 35

Hình 1.11: Quá trình tạo bọt Trong tất cả các công thức sơn (hệ nước, hệ dung môi và không dung môi) chứa vô số các chất ổn định bọt với nguồn gốc và cấu tạo hoá học khác nhau Do đó mọi công thức về cơ bản đều thể hiện khả năng ổn định bọt Trong hệ sơn, các nhóm ái nước bị ion hoá Khi hai thành của lớp màng chất lỏng ép vào nhau đủ sát, lực đẩy của các điện tích cùng dấu bắt đầu phát huy tác dụng, màng chất lỏng không thể tiếp tục giãn ra và bọt không bi phá huỷ

Do không thể loại bỏ các chất ổn định bọt ra khỏi hệ sơn, các chất chống tạo bọt có nhiệm vụ ngăn chặn sự tạo thành bọt hay phá vỡ bọt đã được hình thành Chất chống tạo bọt là các chất lỏng có sức căng bề mặt nhỏ và có 3 đặc tính sau:

 Không hoà tan trong môi trường

Bọt khí nổi lên trên

bề mặt chất lỏng

Chất lỏng chảy khỏi lớp màng

Lớp màng trở lên mỏng hơn

Lớp màng bị phá vỡ khi chiều dày nhỏ hơn 10 nm

Lớp màng

Chất lỏng thoát ra

Hình 1.12: Lớp màng được ổn định nhờ lực đẩy tĩnh điện

Định dạng
Số trang	71
Dung lượng	1,65 MB