Tổng hợp nano ôxít kẽm và nghiên cứu khả năng ứng dụng trong lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn thép Đặng Quyết Thắng Trường Đại học Khoa học Tư nhiên Luận văn ThS.. Chuyên ngành: Hóa vô cơ;
Trang 1Tổng hợp nano ôxít kẽm và nghiên cứu khả năng ứng dụng trong lớp phủ bảo vệ chống ăn
mòn thép Đặng Quyết Thắng
Trường Đại học Khoa học Tư nhiên Luận văn ThS Chuyên ngành: Hóa vô cơ; Mã số: 60 44 01 13
Người hướng dẫn: PGS.TS Trịnh Anh Trúc
Năm bảo vệ: 2013
Abstract: Giới thiệu quá trình ăn mòn kim loại, các phương pháp bảo vệ chống ăn mòn kim loại
và lớp phủ sơn, một số khái niệm, tính chất chung của vật liệu nano, hình dạng cấu trúc, một số phương pháp sử dụng để chế tạo vật liệu nano và khả năng ứng dụng của hạt nano ZnO Giới thiệu một số hóa chất, dụng cụ và thiết bị trong quá trình điều chế vật liệu nano và quá trình tổng hợp màng sơn epoxy chứa các hạt nano ZnO Các phương pháp nghiên cứu đặc tính và tính chất vật liệu như: chụp phổ hồng ngoại IR, chụp hiển vi điện tử quét phát xạ trường FESEM, chụp hiển vi điện tử truyền qua TEM, xác định độ bám dính, độ bền va đập và phương pháp đo tổng trở điện hóa Đưa ra các kết quả thực nghiệm thu được về tính chất của các vật liệu nano ZnO, nano ZnO biến tính Khảo sát tính chất và khả năng bảo vệ chống ăn mòn kim loại thép của màng sơn được chế tạo trên nền nhựa epoxy có phân tán các hạt nano tổng hợp trên
Keywords: Ăn mòn kim loại; Chống ăn mòn; Nano ôxít kẽm; Vật liệu Nano; Hóa vô cơ
Content
MỞ ĐẦU
1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Trong các lĩnh vực kinh tế và xã hội của loài người, kim loại và hợp kim đã và đang đóng một vai trò vô cùng quan trọng Nó là vật liệu không thể thiếu và ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn Tuy nhiên cho đến ngày nay con người vẫn đang phải đối đầu với một vấn đề rất nghiêm
trọng, đó là “Ăn mòn kim loại”
Trang 2Hiện tượng ăn mòn kim loại gây ra những thiệt hại rất lớn cho nền kinh tế quốc dân Theo ước tính có tới 10% lượng kim loại sản xuất ra hàng năm trên thế giới bị thiệt hại do ăn mòn, tương ứng khoảng 1 - 5% GDP thiệt hại hàng năm về kinh tế Theo các số liệu thống kê gần đây, thiệt hại do ăn mòn kim loại gây ra ở Mĩ là khoảng 4% GDP, tương đương với 300 tỉ đô
la mỗi năm [2]
Ngoài những thiệt hại trực tiếp về mặt vật chất, ăn mòn kim loại còn gây ra những thiệt hại gián tiếp như: làm giảm độ bền của các loại máy móc, thiết bị và chất lượng sản phẩm, sự ăn mòn cố thể gây ra những tai họa rất lớn cho các lò phản ứng hạt nhân, máy bay, tên lửa và các thiết bị tự động
Những thiệt hại do ăn mòn kim loại gây ra là rất nghiêm trọng, vì vậy nghiên cứu và tìm kiếm các biện pháp bảo vệ chống ăn mòn kim loại, hạn chế tổn thất do ăn mòn gây ra đang là vấn đề quan trọng của các quốc gia, trong đó có Việt Nam
Việt Nam là một quốc gia có khí hậu nhiệt đới, nóng ẩm, mưa nhiều, và lại có trên 3000
km bờ biển Do đó nền kinh tế nước ta có quan hệ mật thiết với môi trường, đặc biệt là môi trường biển, môi trường có độ xâm thực ăn mòn cao Chính vì vậy nghiên cứu các quá trình ăn mòn vật liệu, tìm ra các biện pháp hạn chế tối ưu quá trình ăn mòn đang là một trong các vấn đế cấp thiết, được đầu tư nghiên cứu mạnh ở nước ta
Các phương pháp chống ăn mòn kim loại bao gồm việc tác động vào môi trường ăn mòn, phủ lên bề mặt vật liệu các lớp phủ bền ăn mòn, bảo vệ catôt hoặc anôt, thụ động hoá bề mặt kim loại Một trong những biện pháp có hiệu quả cao để bảo vệ chống ăn mòn kim loại là sử dụng các lớp sơn phủ hữu cơ, biện pháp này cho phép bảo vệ kim loại trong thòi gian dài mà vẫn đảm bảo được tính thẩm mĩ cao Thông thường lâu nay trước khi sơn, kim loại được thụ động hoá bởi một lớp cromat hoặc photphat để tạo độ bám dính cao giữa bề mặt kim loại với các lớp sơn phủ, đồng thời tăng khả năng bảo vệ chống ăn mòn Tuy nhiên các lớp lót cromat lại có nguy cơ gây
ra ô nhiễm môi trường một cách nghiêm trọng, có ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ con người Chính vì vậy, việc tổng hợp nano ôxít kẽm và nghiên cứu khả năng ứng dụng của nano ôxít kẽm trong lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn thép ít độc hại và có khả năng chống ăn mòn cao, tạo được
độ bám dính tốt đang được các nhà khoa học quan tâm trong những năm gần đây
Trang 3Trong những năm gần đây nền công nghiệp sản xuất vật liệu sơn rất phát triển do biện pháp sơn bảo vệ chống ăn mòn kim loại được sử dụng nhiều nhất, có hiệu quả cao, giá thành thấp Để giảm thiểu ô nhiễm môi trường, các cơ sở nghiên cứu và sản xuất đang quan tâm nghiên cứu và phát triển các hệ sơn thân thiện với môi trường Việc nghiên cứu các phụ gia ức chế ăn mòn và tăng khả năng bảo vệ của lớp phủ cũng rất được chú ý Gần đây có nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng của nano ZnO trong lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn kim loại, chỉ với hàm
lượng nhỏ nano ZnO đã tăng đáng kể khả năng bảo vệ của màng sơn Với đề tài luận văn: “Tổng
hợp nano ôxít kẽm và nghiên cứu khả năng ứng dụng trong lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn thép”, báo cáo của tôi đã hoàn thành quá trình tổng hợp nano ZnO và biến tính hữu cơ làm ức
chế ăn mòn trong lớp sơn epoxy để kéo dài thời gian bảo vệ chống ăn mòn thép
Nội dung chi tiết của báo cáo luận văn khoa học này được chia thành 3 chương và phần kết luận:
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
Trong chương này, chúng tôi giới thiệu quá trình ăn mòn kim loại, các phương pháp bảo
vệ chống ăn mòn kim loại và lớp phủ sơn, một số khái niệm, tính chất chung của vật liệu nano, hình dạng cấu trúc, một số phương pháp sử dụng để chế tạo vật liệu nano và khả năng ứng dụng của hạt nano ZnO
CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM
Chúng tôi giới thiệu một số hóa chất, dụng cụ và thiết bị trong quá trình điều chế vật liệu nano và quá trình tổng hợp màng sơn epoxy chứa các hạt nano ZnO Các phương pháp nghiên cứu đặc tính và tính chất vật liệu như: chụp phổ hồng ngoại IR, chụp hiển vi điện tử quét phát xạ trường FESEM, chụp hiển vi điện tử truyền qua TEM, xác định độ bám dính, độ bền va đập và phương pháp đo tổng trở điện hóa
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Trong chương này, chúng tôi đưa ra các kết quả thực nghiệm thu được về tính chất của các vật liệu nano ZnO, nano ZnO biến tính Khảo sát tính chất và khả năng bảo vệ chống ăn mòn kim loại thép của màng sơn được chế tạo trên nền nhựa epoxy có phân tán các hạt nano tổng hợp trên
Trang 5REFERENCES
Tiếng Việt
1 Ngô Duy Cường (1995), Hóa học và các phương pháp chế tạo sơn, Nhà xuất bản Đại
học Tổng hợp Hà Nội
2 Vũ Đình Cự (2003), Cơ sở Kỹ thuật Nhiệt đới, NXB văn hóa thông tin
3 Vũ Đình Cự, Nguyễn Xuân Chánh (2001), Công nghệ nano điều khiển đến từng phân
tử, nguyên tử, NXB Khoa Học Kĩ Thuật Hà Nội
4 Nguyễn Hữu Đĩnh, Trần Thị Đà (1999), Ứng dụng một số phương pháp phổ nghiên
cứu cấu trúc phân tử hợp chất hữu cơ, NXB Giáo dục
5 Trần Hiệp Hải (2001), Phản ứng điện hóa và ứng dụng, NXB Giáo dục
6 Nguyễn Xuân Hoàn, Hoàng Thị Hương Thảo, Nguyễn Thị Cẩm Hà (2011), Phân tích
Rietveld cấu trúc va đặc trưng tính chất quang hóa của vật liệu ZnO điều chế bằng phương pháp thủy nhiệt, Tạp chí Hóa học, 49, pp 700-704
7 Trương Ngọc Liên (2000), Ăn mòn và bảo vệ kim loại, NXB Khoa học và Kỹ thuật
8 Trương Ngọc Liên (2000), Điện hóa lý thuyết, NXB Khoa học và Kỹ thuật
9 Phan Thị Tuyết Mai (2012), Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit chứa các hạt áp điện
nano và khảo sát sự biến đổi tính chất cơ nhiệt trong điều kiện khí hậu nhiệt đới, Luận án
tiến sĩ hoá học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN
10 Phạm Thị Minh (2006), Đánh giá khả năng bảo vệ của lớp phủ tổ hợp Polyme dẫn &
Epoxy trên nền thép, Khóa luận tốt nghiệp, Đại học sư phạm Hà Nội
11 Hoàng Nhâm (2005), Hóa học vô cơ tập 3, NXB Giáo Dục
12 Trần Văn Nhân (2004), Giáo trình Hóa học chất keo, nhà xuất bản ĐHQG Hà
Nội
Trang 613 Trần Kim Thanh, Trần Hiệp Hải (1983), Giáo trình hóa lý tập 3, NXB Giáo dục
14 Thái Doãn Tĩnh (2005), Hóa học các hợp chất cao phân tử, NXB Khoa học kỹ thuật
15 Nguyễn Văn Tuế (1993), Giáo trình ăn mòn kim loại, NXB Đại Học Tổng Hợp Hà
Nội
16 Nguyễn Văn Tư, Alain Galerie (2002), Ăn mòn và bảo vệ vật liệu, NXB Khoa học và
Kỹ thuật
Tiếng Việt
17 A G Roca, M.P Gonzalez and C.J.Serna (2006), Synthesis of monodispersed
magnetite particles from different organometallic precursors, IEEE Transations on
magnetics, 42(10), pp 3025-3029
18 Animesh Kumar Singh, Radhakanta Kishan (2011), Comparative Study of Zinc Oxide
Nanostructures Synthesized by Oxidization of Zinc Foil and Zinc Powder
19 Boschloo G, Edvinsson T, Hagfeldt A, Tetsuo S (2006), Dye-Sensitized Nanostructured ZnO Electrodes for Solar Cell Applications, Elsevier,
Amsterdam, pp 227-254
20 Cafer T Yavuz , J T Mayo , Carmen Suchecki, Jennifer Wang, Adam Z Ellsworth, Helen D’Couto, Elizabeth Quevedo, Arjun Prakash, Laura Gonzalez, Christina Nguyen,
Christopher Kelty, Vicki L Colvin, Pollution magnet (2009), nano-magnetite for arsenic
removal from drinking water, Environ Geochem Health
21 C.Jagadish, S Pearton (2006), Zinc Oxide Bulk, Thin Films and Nanostructures, The
Australian National University
22 Cheng-Hsien Hsieh (2007), Spherical Zinc Oxide Nano Particles from Zinc Acetate in
the Precipitation Method, Journal of the Chinese Chemical Society, 54, pp 31-34
23 D.M Escobar, C Arroyave, E Jaramillo, O.R Mattos, LC Margarit, J Calderón
(2003), Electrochemical assessment of magnetite anticorrosive paints, Rev, Metal
Trang 7Madrid, pp 97-103
24 Ngo Thanh Dung, To Thi Xuan Hang, Nguyen Thi Thuc Hien (2012), Study on the
UV resistance of polyurethane ZnO nanocomposite coating
25 E Bardal (2003), Corrosion and Protection, Springer, London, pp 56
26 Elucidation of Structure and Formation Mechanism of Weathering Steel Rusts
(2006), Report from the Rust Chemistry Research Group, Japan Society of Corrosion
Engineering
27 E P M Van Westing, G M Ferrari, F M Greenen, J H W De Wit, Prog Org
Coat (1993), 89
28 Fenghua Chen, Qian Gao, Guangyan Hong, Jiazuan (2008), Ni,Synthesis and
characterization of magnetite dodecahedron nanostructure by hydrothermal method,
Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 320(6), pp 1775–1780
29 To Thi Xuan Hang, Trinh Anh Truc, Marie-Georges Olivier, Catherine Vandermiers,
Nathalie Guérit, Nadine Pébère, December 2010, Corrosion protection mechanisms of
carbon steel by an epoxy resin containing indole-3 butyric acid modified clay, Progress in
Organic Coatings, 69(4), pp 410-416
30 Jin-Hong Lee and Byung-Ok Park (2003), Transparent conducting ZnO.Al, In and Sn
thin films deposited by the sol-gel method, Thin Solid Film, 426
31 J R Duclere M Novotny, A Meaney, R O’Haire (2005), Properties of Li, P and
N-doped ZnO thin films prepared by pulsed laser deposition, Superlattices and
Microstructures, 38
32 Hongxia Li, Jiyang Wang, Hong Liu, Changhong Yang, Hongyan Xu,Xia Li and
Hongmei Cui (2004), Sol-gel preparation of transparent zinc oxide films with highly
preferential crystal orientation, 77
33 M Sahal, B.Hartiti, A.Ridah, M.Mollar, B.Mari (2008), Structural, electrical and optical properties of ZnO thin films deposited by sol-gel method, Microelectronics
Trang 8Journal, 39
34 Shadpour Mallakpour, Maryam Madani (June 2012), Use of silane coupling agent for
surface modification of zinc oxide as inorganic filler and preparation of poly(amide– imide)/zinc oxide nanocomposite containing phenylalanine moieties, Bull Mater Sc1,
35(3), pp 333–339
35 RadyumIkono, PutriRiskiaAkwalia, Siswanto, WahyuBambang W, AgusSukarto,
NurulTaufiquRochman, Effect of PH Variation on Particle Size and Purity of Nano Zinc
Oxide Synthesized by Sol-Gel Method, International Journal of Engineering & Technology
IJET-IJENS, 12(6), pp 5-9
36 Ruoyu Hong, Tingting Pan, Jianzhong Qian, Hongzhong Li (2006), Synthesis and
surface modification of ZnO nanoparticles, Chemical Engineering Journal, 119, pp 71–
81
37 T Schuler, M.A Aegerter (1999), Optical, electrical and structural properties of sol
gel ZnO Al coatings, Thin Solid Films, 351
38 Nguyen Thu Trang, Trinh Anh Truc, To Thi Xuan Hang, Le Thi Lien, Nguyen Xuan
Hoan (2012), Preparation of iron oxide nanoparticles using an epoxy coating for
corrosion protection of carbon steel, Vietnam Journal of Chemistry, vol 50(6B), pp
71-76
39 U.R Evans (1876), The Corrosion and Oxidation of Metals, vol 2nd Suppl., Arnold,
London, pp 82
40 Xu Zi-qiang, Deng Hong, Li Yan and Cheng Hang (2006), Al-doping effects on
structure, electrical and optical properties of c-axis-orientated ZnO.Al thin films,
Materials Science in Semiconductor Processing, 9
41 Youngki Min (2003), Properties and sensor performance of Zinc Oxide thin films, Yonsei University
42 Zhifeng Liu, Zhengguo Jin, Wei Li, Jijun Qiu (2005), Preparation of ZnO porous thin
Trang 9films by sol-gel method using PEG template, Materials Letters, 59, pp 3620 – 3625