Nghiên cứu chế tạo sơn điện di catốt bảo vệ kim loại trên cơ sở vật liệu tạo màng tổ hợp - nhựa epoxy biến tính

Bộ giáo dục và đào tạo Bộ quốc phòng
Viện khoa học và công nghệ quân sự





Nguyễn duy lời





Nghiên cứu chế tạo sơn điện di catốt bảo vệ
kim loại trên cơ sở vật liệu tạo màng
tổ hợp - nhựa epoxy biến tính



Chuyên ngành: hóa hữu cơ
Mã số : 62.44.27.01



tóm tắt luận án tiến sĩ hóa học

Hà Nội - 2009


Công trình đợc hoàn thành tại
viện khoa học và công nghệ quân sự
Bộ quốc phòng


Ngời hớng dẫn khoa học:
GS.TS. Nguyễn Việt Bắc
TS. Đào công minh

Phản biện 1: Gs. TS. Lê Quốc hùng

Phản biện 2: GS. TSKH. Ngô Thị thuận

Phản biện 3: PGS. TS. Thái hoàng

Luận án sẽ đợc bảo vệ trớc Hội đồng chấm luận án cấp Nhà
nớc, họp tại: Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự.
lúc 8 giờ 30 phút, ngày 24 tháng 3 năm 2009.

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Th viện Quốc gia.
- Th viện Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự.




Danh mục các công trình của tác giả
liên quan đến luận án đã đăng báo

1. Nguyễn Việt Bắc, Nguyễn Duy Lời (1998), "Sơn điện di ca tốt bảo vệ
kim loại" tuyển tập báo cáo hội nghị hoá học toàn quốc lần thứ 3 tại
Hà Nội, tập 1 "Hoá học vì sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất
nớc", trang 315- 317.
2. Nguyễn Việt Bắc, Nguyễn Duy Lời (2006) "nghiên cứu tổng hợp chất
tạo màng sơn điện di catốt trên cơ sở vật liệu tạo màng tổ hợp nhựa
epoxy biến tính". Tạp chí nghiên cứu KHKT&CNQS, Bộ Quốc phòng,
số 14 trang 80-88.
3. Nguyễn Duy Lời, Nguyễn Việt Bắc (2006) "Nghiên cứu ảnh hởng của
một số yếu tố đến chất lợng màng sơn điện di catốt trên cơ sở vật liệu
tạo màng tổ hợp nhựa epoxy biến tính". Tạp chí nghiên cứu
KHKT&CNQS, Bộ Quốc phòng, số 16 trang 117 - 124.
4. Nguyễn Duy Lời, Nguyễn Việt Bắc (2007) "Nghiên cứu ảnh hởng của
trọng lợng phân tử nhựa epoxy và tỷ lệ thành phần giữa cấu tử tạo sơn
điện di catốt đến độ bền của hệ nhũ hoá và chất lợng màng sơn điện
di". Tạp chí nghiên cứu KHKT&CNQS, Bộ Quốc phòng, số 19 trang
106-112.
5. Nguyễn Duy Lời, Nguyễn Việt Bắc, Đào Công Minh (2007). "Nghiên
cứu ảnh hởng của một số yếu tố đến chất lợng màng sơn điện di catốt
có chứa bột màu trên cơ sở nhựa epoxy biến tính". Tạp chí nghiên cứu
KHKT&CNQS, Bộ Quốc phòng, số 21 trang 135 - 142.

6. Nguyễn Duy Lời, Nguyễn Việt Bắc (2007). Sơn điện di catốt bảo vệ
kim loại trên cơ sở nhựa epoxy biến tính. Tạp chí hóa học, số đặc biệt
kỷ niệm 45 năm Tạp chí hoá học (1962 2007) trang 58 65.


1

mở đầu
1. Đặt vấn đề
Hiện nay sơn điện di là một trong những phơng pháp sơn hiện đại nhất
trong kỹ nghệ sơn bảo vệ kim loại, hợp kim. Sơn điện di chính là phơng pháp
mạ polyme tạo màng bảo vệ từ trong dung dịch nớc hay hệ nhũ tơng phân
tán của chất tạo màng lên nền kim loại dới tác dụng của dòng điện một chiều.
Những u điểm nổi bật của sơn điện di là sự thân thiện với môi trờng nhờ sử
dụng dung môi là nớc thay thế cho dung môi hữu cơ truyền thống nên ít gây
độc hại và ô nhiễm môi trờng,tránh đợc nguy cơ cháy nổ. Sơn dễ tự động hoá
trong dây chuyền công nghiệp hiện đại, sơn nhanh năng suất cao. Màng sơn tạo
ra có tính năng cơ lý hóa và bảo vệ chống ăn mòn kim loại tốt.
Hiện nay trên thế giới sơn điện di đã đợc ứng dụng rộng rãi trong hàng
loạt các ngành công nghiệp nh: công nghiệp ô tô,cơ khí chế tạo máy móc,
dụng cụ y tế, kỹ nghệ điện -điện tử, hàng tiêu dùng và đặc biệt đợc ứng dụng
để sơn vũ khí trang bị kỹ thuật quân sự đem lại hiệu quả kinh tế kỹ thuặt cao.
Trên thế giới các nớc công nghiệp phát triển, sơn điện di nhất là sơn điện di
catôt vẫn ngày càng thu hút sự quan tâm đặc biệt của nhiều hãng nhiều chuyên
gia trong việc đằu t nghiên cứu mở rộng và đa dạng hoá nhiều họ vật liệu tạo
màng sử dụng cho lĩnh vực này.Tuy nhiên các công trình nghiên cứu chế tạo sơn
điện di chỉ đợc công bố một cách sơ lợc mà nắm giữ bí mật và bản quyền lại
thuộc về những hãng sơn hàng đầu thế giới. ở Việt Nam nguồn vật liệu tạo
màng sơn cũng nh dây chuyền công nghệ sơn điện di chủ yếu phải nhập ngoại
với kinh phí lên đến hàng chục triệu USD.Việc đầu t nghiên cứu về sơn điện di

trong nớc còn rất hạn chế,đặc biệt sơn điện di catôt chất lợng cao lại cha có cơ
sở nào đặt ra vắn đề nghiên cứu trong khi nhu cầu thực tế của loại sơn này rất lớn,
vì vậy việc nghiên cứu chế tạo ra các loại sơn điện di catôt mới trở nên cấp thiết.
V lý thuyt cú nhiu h vt liu to mng s dng cho sn in di catụt.
T cỏc h nha quen thuc nh polyuretan, polyamit, polyeste, cacbamit cha
amin n cỏc h nha acrylic, vinylic cha nguyờn t nit Chỳng tụi c bit
quan tõm n nhúm nha epoxy bin tớnh hin ang c s dng ph bin cho
tng hp cht to mng sn in di catụt.Nh nha gc epoxy v cỏc nguyờn
liu u sn cú trờn th trng Vit Nam chỳng ta hon ton cú th ch to
c nhiu dng cht to mng sn in di cao cp.
Đề ti của luận án: Nghiên cứu chế tạo sơn điện di catôt bảo vệ kim
loại trên cơ sở vật liệu tạo mng tổ hợp nhựa epoxy biến tính l một việc
lm cần thiết mang ý nghĩa khoa học v thực tiễn rõ rệt.
2. Nội dung và mục đích nghiên cứu của luận án
- Nghiên cứu tổng hợp chất tạo màng cho sơn điện di catôt trên cơ sở nhựa
epoxy biến tính nhờ phản ứng mở vòng epoxy bằng dietanolamin và aminoamit,
trong đó aminoamit là sản phẩm ngng tụ của hydroxyetylaminoetylamin với axit
béo dầu lanh.
- Chế tạo hệ vật liệu tạo màng tổ hợp cho sơn điện di catôt trên cơ sở nhựa
2

epoxy biến tính đợc phối hợp với các thành phần bổ trợ: Phối hợp với
toluendiisoxyanat khoá mạch toàn phần bằng 2-etylhexanol và trimetylolpropan
hoặc phối hợp với nhựa melaminfocmandehit butanol hoá.
- Khảo sát các tính chất của vật liệu tạo màng tổ hợp. Nghiên cứu khảo sát
quá trình sơn điện di và các yếu tố ảnh hởng đến chất lợng màng sơn điện di.
- Khảo sát các tính năng cơ lý hoá và tính năng bảo vệ chống ăn mòn kim
loại của màng sơn điện di catôt chế tạo đợc. Kết luận về chất lợng màng sơn
và đánh giá triển vọng ứng dụng trong thực tế.
- Xây dựng quy trình công nghệ tạo màng sơn điện di catôt.

3. Những đóng góp mới của luận án
- Nghiờn cu ch to sn in di catụt trờn c s h vt liu mi cha
tng c nghiờn cu Vit Nam. Gii quyt vn tng hp vt liu cng
nh cụng ngh to mng sn phự hp. H vt liu v sn in di catt cú kh
nng bo v kim loi u vit rừ rt hn sn in di ant.
- ó tng hp c 2 loi cht to mng (CTM) sn in di catụt mi ú
l t hp nha epoxy bin tớnh (EPBT) phi hp vi toluendiisoxyanat khúa
mch ton phn (TDIKMTP) v t hp nha EPBT phi hp nha
melaminfocmandehit butanol húa (MFBH). Vic bin tớnh nha epoxy c
thc hin bng cỏch a gc axit bộo du lanh vo thnh phn nha cú tỏc dng
húa do ni phõn t lm tng bn un, bn va p v tng kh nng úng
rn mng sn. ó chng minh bng kt qu nghiờn cu CTM nha EPBT phi
hp vi TDIKMTP (sn polyuretan) s dng lm sn in di catt ó lm tng
kh nng bo v chng n mũn kim loi ca mng sn. Kt qu kho sỏt cho
thy rng CTM phi hp vi nha MFBH cú tỏc dng h nhit sy úng rn
mng sn cú cht lng bo v u vit phự hp cho ch sn in di catt.
- Các kết quả của luận án đã khẳng định việc phối liệu thnh công bể sơn
điện di catốt có chứa các loại bột mu, quy trình công nghệ sơn điện di catốt
trên cơ sở hai loại CTM sơn chế tạo là thuận lợi và tin cậy, có triển vọng ứng
dụng thực tế lớn.
4. ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Nghiờn cu ch to sn in di catụt trờn c s vt liu to mng t hp
nha EPBT, mt trong nhng hng ch to sn cao cp hin nay gúp phn lm
sỏng t bn cht, nguyờn lý thit lp h vt liu lm c s cho vic n nh
mng sn in di catụt v a dng hoỏ vt liu to mng s dng cho cụng ngh
sn in di catt cú cht lng cao trong tng lai.
- Cụng trỡnh l mt úng gúp trong iu kin Vit Nam vo lnh vc vt
liu v cụng ngh sn hin i phự hp vi xu th phỏt trin ca cụng nghip
sn ph bo v cú hiu qu kinh t- k thut cao thõn thin vi mụi trng,
gim thiu ụ nhim so vi sn s dng dung mụi hu c truyn thng.

- Vt liu s dng cho ch to sn in di catụt trong lun ỏn i t ngun
nguyờn liu u hon ton sn cú trờn th trng Vit Nam. Cụng ngh to
3

mng sn bng cỏc trang thit b mỏy múc quy chun hon ton cú th ỏp ng
c iu kin trong nc hin nay.
5. Bố cục của luận án
Luận án dày 141 trang gồm ba chơng ; Mở đầu (2 trang) ; Chơng 1-
Tổng quan về sơn điện di (48 trang) ; Chơng 2 Vật liệu và phơng pháp
nghiên cứu (10 trang); Chơng 3 Kết quả và biện luận (67 trang) ; Kết luận
(2 trang); Tài liệu tham khảo (11 trang) gồm 142 tài liệu tham khảo. Trong luận án
có 35 bảng biểu, 56 hình vẽ và đồ thị. Phần phụ lục l một số hình ảnh về sơn điện
đi và các phiếu kiểm tra thử nghiệm tính năng kỹ thuật của màng sơn điện di.
Nội dung của luận án
Chơng 1: Tổng quan về sơn điện di - CƠ S Lý THUYếT V
VậT LIệU TạO MàNG SƠN ĐIệN DI CATÔT TRÊN
CƠ Sở NHựA EPBT
1.1 Sơ lợc về lịch sử, quá trình phát triển và hiệu quả kinh tế- kỹ thuật
của sơn điện di.
1.2 Cơ sở lý thuyết về sơn điện di
Cơ chế- nguyên lý, động học quá trình tạo màng, ảnh hởng của các yếu tố
điều kiện chế độ sơn đến quá trình tạo màng và chất lợng màng sơn, bản chất
và điều kiện cần thiết của chất tạo màng, những vật liệu tạo màng sử dụng cho
sơn điện di catôt và các thành phần cơ bản của hệ sơn điện di catôt.
1.3 Tổng quan về vật liệu tạo màng sơn điện di catôt trên cơ sở nhựa EPBT.
Phân tích lựa chọn và định hớng nghiên cứu tổng hợp vật liệu tạo màng tổ hợp
cho sơn điện di catôt trên cơ sở nhựa EPBT.
Chơng 2: vật liệu và phơng pháp nghiên cứu .
2.1 Giới thiệu các vật t hoá chất và trang thiết bị thực nghiệm
2.2 Phơng pháp nghiên cứu về vật liệu tạo màng.

2.2.1 Các phơng pháp phân tích hoá học xác định các nhóm chức (hàm
lợng các nhóm epoxy, amin , isoxyanat, chỉ số axít, ch số hydroxyl, ch số xà
phòng hoá, chỉ số iốt, hàm lợng focmandehit, melamin và hàm lợng metylol).
2.2.2 Phơng pháp sắc ký thẩm thấu gel (GPC) xác định khi lợng phân tử
của chất tạo màng trên máy sắc ký GPC FOR CLASS- VP (hãngShimadzu).
2.2.3 Phơng pháp phổ hồng ngoại xác định các nhóm chức và cấu trúc của
vật liệu tạo màng trên máy Shimadzu FTIR- 810M.
2.3. Phơng pháp kiểm tra đánh giá chất lợng màng sơn điện di.
2.3.1 Phơng pháp thử nghiệm sơn nguyên thuỷ (xác định độ nhớt, hàm khô
của CTM, kích thớc hạt nhũ, giá trị pH , độ dẫn điện và năng lực phân tán của
dung dịch sơn).
4

2.3.2 Phơng pháp xác định khả năng đóng rắn của màng sơn sử dụng thiết bị
chuyên dụng Soxhlet.
2.3.3 Phơng pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) nghiên cứu cấu trúc màng
sơn trên máy JSM -5410 LV- scanning microscope JEOl (Mỹ).
2.4 Phơng pháp gia công xử lý bề mặt nền.
Các phơng pháp tẩy dầu mỡ ,tẩy gỉ , phôtphat hoá bề mặt
2.5 Phơng pháp xác định các tính năng cơ lý của màng sơn
Xác định độ bám dính, độ bền uốn, độ bền va đập, độ cứng , độ bóng Và độ
dày của màng sơn theo (TCVN) trên các thiết bị đo chuyên dụng.
2.6 Phơng pháp đánh giá khả năng bảo vệ chống ăn mòn kim loại của
màng sơn
2.6.1 Phơng pháp đánh giá độ bền mù muối nhờ thử nghiệm trong tủ
S1000 ( của Đức) theo tiêu chuẩn ASTM- B 117-95.
2.6.2 Phơng pháp đánh giá độ bền ăn mòn điện hoá thông qua đo thế điện
cực và tổng trở theo thời gian trên máy CMS-100 ( của Mỹ).
Chơng 3. Kết quả và biện luận
3.1. Tổng hợp chất tạo màng cho sơn điện di catốt trên cơ sở nhựa epoxy biến tính

3.1.1. Kết quả tổng hợp nguyên liệu đầu và chất tạo màng.
3.1.1.1. Tổng hợp dẫn xuất toluendiisoxyanat khoá mạch toàn phần (TDIKMTP).
Phản ứng khoá mạch toàn phần toluendiisoxyanat (TDI) bằng 2-etylhexanol và
trimetylolpropan theo tỉ lệ mol là 3:3:1 trong môi trờng khí trơ nitơ theo hai
giai đoạn:
Giai đoạn đầu đợc thực hiện ở nhiệt độ 38-40
o
C trong thời gian 0,5 giờ (để
khoá mạch 1/2 số nhóm chức isoxyanat). Giai đoạn thứ hai thực hiện phản ứng ở
120-122
o
C trong thời gian 2 giờ để khoá mạch hoàn toàn các nhóm chức
isoxyanat đến khi sản phẩm đạt chỉ số isoxyanat bằng 0. Theo dõi phản ứng
thông qua xác định chỉ số isoxyanat bằng phơng pháp phân tích chuẩn độ hoá
học và đo phổ đồ IR xác định vạch đặc trng isoxyanat, trên phổ đồ không còn
vạch pic đặc trng cho nhóm chức isoxyanat ở vị trí sóng = 2264cm
-1
.






Hình 3.1 Biến thiên hàm lợng isoxyanat theo thời gian
Hàm lợng i
s
ox
y
anat (%)

0

6

12

18

24

0

30

60

90

120

150

180

Phản ứng ở

40 độ
và 120 độ C

Phản ứng ở 120 độ C


Thời gian phản ứng (phút)

5

Bảng 3.1. Các chỉ tiêu kỹ thuật của TDI KMTP
khi lợng phân tử trung bình *
Chỉ tiêu kỹ
thuật
Hàm lợng
isoxyanat
(%)
Điểm nóng
chảy
(
o
C)
Tính theo lý
thuyết
Xác định bằng phơng
pháp GPC
TDI KMTP 0 90 - 95 1046 1075
Trên phổ hồng ngoại của dẫn xuất TDIKMTP không còn vết của vạch hấp
thụ số sóng v = 2264 cm
-1
đặc trng cho nhóm chức isoxyanát. Điều đó chứng tỏ
rằng các nhóm chức isoxyanát trong TDI đã phản ứng cộng hợp hết với các nhóm

chức hydroxyl để tạo ra nhóm chức mới uretan có píc hấp thụ ở số sóng
v = 1721cm
-1
(nhóm C = 0) và v = 3311cm
-1
(nhóm NH-).
3.1.1.2. Tổng hợp nhựa melaminfocmandehit butanol hoá (MFBH).
Nhựa MF là sản phẩm của sự đa tụ các dẫn xuất metylolmelamin đợc tạo
ra do phản ứng của melamin với focmandehit. Kết quả nghiên cứu khảo sát tổng
hợp nhựa MFBH cho sản phẩm tối u trong điều kiện nh : Tỉ lệ phần mol
melamin/focmandehit = 1/6 . Phản ứng để tạo ra các dẫn xuất metylolmelamin ở
55-60
0
C trong vòng 1 giờ với môi trờng pH = 8 . Ngng tụ và butanol hoá các
dẫn xuất metylolmelamin ở 90
0
C với môi trờng pH= 4,5 -5,5 trong thời gian
0,5 giờ. Tỉ lệ mol của butanol sử dụng: Melamin/focmandehit /butanol = 1/6/2.
Bảng 3.3 Các chỉ tiêu kỹ thuật của nhựa MFBH.
Chỉ tiêu kỹ
thuật
khi lợng phân tử
trung bình
(Xác định bằng
phơng pháp GPC)

Hàm lợng
focmandehit
tự do trong
nhựa (%)

Hàm lợng
melamin tự do
trong nhựa (%)

Hàm lợng
nhóm metylol
trong nhựa (%)

Nhựa MFBH

1.507 0,2 0,1 19,7
Trên phổ hồng ngoại của nhựa MFBH không còn xuất hiện vạch phổ hấp
thụ ở số sóng v = 3133cm
-1
đặc trng cho nhóm chức amin bậc nhất -NH
2
của
melamin mà đợc thay thế bởi các vạch phổ của nhóm chức amin bậc hai và bậc
ba nằm trong vùng hấp thụ số sóng v = 3399cm
-1
. Đồng thời do những vạch phổ
đặc trng cho nhóm chức hydroxyl cũng nằm trong vùng này nên đã tạo cho vị
trí pic nằm dải rộng (broad - band) với cờng độ rất mạnh (v = 3200-3500cm
-1
).
3.1.1.3. Điều chế các axit béo từ dầu lanh.
Điều chế các axit béo từ dầu lanh qua hai giai đoạn:
1. Giai đoạn đầu là quá trình xà phòng hoá dầu thực vật trong môi trờng
kiềm để tạo ra xà phòng của các axit béo và glyxerin. Điều kiện thực hiện phản
ứng ở giai đoạn này là:

Tỉ lệ mol của dầu/NaOH = 1/3,3. nhiệt độ : T
o
100
o
C, thời gian : 2,5 -3 giờ.
2. Giai đoạn thứ hai: axit hoá các xà phòng để tạo ra axit béo. Điều kiện
phản ứng cho giai đoạn này là: Tỉ lệ mol H
2
SO
4
/NaOH = 0,6/1, nhiệt độ: 80 -
85
o
C. Thời gian : 2,5 - 3 giờ.
6

Bảng 3.5 Chỉ tiêu kỹ thuật của dầu lanh và các axit béo của nó
Chỉ tiêu kỹ thuật
Chỉ số
axit (mg
KOH/g)

Chỉ số
Iôt gam
Iôt/100g

Chỉ số xà
phòng hóa
(mg
KOH/g)

khi
lợng
riêng
(g/cm
3
)

Chiết
suất ở
25
o
C
Độ nhớt
(VZ-4),
giây ở 25
o
C

Dầu lanh 5 180 195 0,8973

1,4821

20
Axit béo dầu lanh. 198 190 - 0,8936

1,4693

16
3.1.1.4. Tổng hợp aminoamit trên cơ sở axit béo dầu lanh.
Sản phẩm aminoamit ở đây đợc tổng hợp một cách dễ dàng nhờ phản ứng

ngng tụ giữa nhóm amin bậc nhất của hydroxyetylaminoetylamin (HEAEA) với
các axit béo của dầu lanh RCOOH + NH
2
CH
2
CH
2
NH CH
2
CH
2
OH
RC - NH - CH
2
CH
2
NH CH
2
CH
2
OH + H
2
O
O
Thực hiện phản ứng ở trên theo tỉ lệ mol giữa các chất là 1:1. Theo dõi
quá trình diễn biến phản ứng thông qua phân tích chỉ số axit của sản phẩm hoặc
xác định sự biến mất của vạch phổ có số sóng = 1711 cm
-1
đặc trng cho nhóm
chức cacboxyl của axit béo tham gia phản ứng.

Hình 3.10 Biến thiên chỉ số axit theo thời gian phản ứng ở các nhiệt độ khác nhau
Điều kiện phản ứng: Tiến hành phản ứng ở 140
o
C trong 2 giờ . Giai đoạn
tiếp theo nâng dần nhiệt độ lên 160
o
C trong vòng 1 giờ để phản ứng triệt để hơn.
Sản phẩm thu đợc là chất rắn có màu vàng nhạt bền vững ở nhiệt độ phòng và có chỉ
tiêu kỹ thuật đợc trình bày ở bảng 3.6
Bảng 3.6 Chỉ tiêu kỹ thuật của aminoamit.
Chỉ tiêu
kỹ thuật
Chỉ số a
xit
(mg
KOH/g)
Chỉ số amin
(mg KOH/g

Chỉ số
hydroxyl

(mg KOH/g)

Nhiệt độ
nó
ng chảy
(
o
C)
khi lợng
phân tử trung
bình *
Aminoamit

5
151 152 30 - 32 368
t (phút)

Chỉ số axit (mg KOH/g)

0
2

4

6

8

10

12

14

16

0
3

6

9

12

15

18

Phản ứng ở 120 độ C

Phản ứng ở 140 độ C

Phản ứng ở 160 độ C
Phản ứng ở 180 độ C
Thời gian phản ứng(phút)

7

Trên phổ hồng ngoại của aminoamit đợc tạo ra không thấy xuất hiện pic

của vạch = 1711 cm
-1
đặc trng cho nhóm chức cacboxyl của axit béo dầu lanh;
điều đó chứng tỏ axit béo đã tham gia phản ứng hết với HEAEA để xuất hiện vạch
đặc trng của liên kết amit
2
có số sóng = 1554 cm
-1
và amit
1

( = 1648) và vị trí
=3011 cm
-1
l dao động nối đôi của axit béo. Các vạch phổ rất mạnh đặc trng
cho dao động hoá trị của những nhóm chức hydroxyl liên kết
OH
= 3200 - 3500
cm
-1
.
3.1.1. 5. Tổng hợp CTM gốc nhựa epoxy biến tính.
Phản ứng tổng hợp nhựa epoxy biến tính (EPBT) trên cơ sở tơng tác giữa
nhựa epoxy với dietanolamin và aminnoamit.
CH
2
- CH - CH
2
CH
2

- CH - CH
2
+ HO CH
2
CH
2
NHCH
2
CH
2
OH
O O
+ RC - NH CH
2
CH
2
NHCH
2
CH
2
OH
O

HOCH
2
CH
2
CH
2
CH

2
OH
N - CH
2
- CH - CH
2
CH
2
- CH - CH
2

- N

R- C - NHCH
2
CH
2
OH OH CH
2
CH
2
OH
O
Nhựa epoxy sử dụng là loại epikot -1004 với tỷ lệ mol các chất epoxy/
dietanolamin/aminoamit =1: 0,6:1,4. Tham gia phản ứng mở vòng epoxy là hai
nhóm chức amin bậc hai của cấu tử đối tác. Theo dõi phản ứng thông qua kiểm
tra độ nhớt của sản phẩm và kiểm tra vạch phổ của nhóm chức epoxy qua phổ
đồ hồng ngoại . Kết quả khảo sát phản ứng tổng hợp nhựa cho thấy rằng điều
kiện tối u cho thực hiện phản ứng là ở nhiệt độ 120 - 125
o

C trong vòng 3 giờ.
Bảng 3.7 Các chỉ tiêu kỹ thuật của nhựa EPBT.
khi lợng phân tử trung bình *
Chỉ tiêu
kỹ thuật
Chỉ
số amin
(mg KOH/g)

Chỉ số
hydroxyl
(mg KOH/g)

Tính theo lý
thuyết
Xác định theo phơng
pháp sắc ký GPC
Nhựa EPBT

56 232 1978 2.011
Trên phổ hồng ngoại của nhựa EPBT, vạch phổ hấp thụ ở số sóng v = 910cm
-1
đặc trng cho nhóm chức epoxy bị biến mất hoàn toàn, do phản ứng mở vòng
epoxy bằng các nhóm chức amin bậc hai trong dietanolamin và aminoamit để tạo ra
nhóm chức hydroxyl. Những vạch phổ đặc trng cho nhóm chức hydroxyl với
cờng độ rất mạnh nằm trong vùng v = 3200-3500cm
-1
tăng lên một cách rõ rệt.
3.1.2. Chất tạo màng tổ hợp cho sơn điện di catốt.
CTM cho sơn điện di catốt ở đây là tổ hợp giữa nhựa EPBT đợc phối

trộn với 20 - 30% dẫn xuất TDI KMTP hoặc đợc phối trộn với, 10 - 15% nhựa
^^^^^^^^^^^^





^^^^^^^^^^^^





8

MFBH mang chức năng là tác nhân đóng rắn màng sơn. Trong đó, nhựa EPBT
có sự hiện diện của các nhóm amin bậc ba, nhóm hydroxyl và có các chỉ tiêu kỹ
thuật nh sau: Chỉ số amin bằng 52-56 mg KOH/g, chỉ số hydroxyl bằng 200-
232 mg KOH/g, khi lợng phân tử trung bình
M
= 1878-2136.
3.1.2.2. Cơ chế đóng rắn màng sơn bằng TDIKMTP
Cơ chế đóng rắn màng sơn bằng dẫn xuất TDIKMTP phân tử lợng thấp l nhờ
quá trình gồm 2 phản ứng sau:
- Qúa trình phân huỷ nhiệt của TDIKMTP phân tử lợng thấp không bền ở 150-
180
0
C để tái tạo lại những nhóm isoxyanat tự do ban đầu .
- Qúa trình thứ 2 xảy ra ở 170-180
o

C là quá trình khâu mạch đan lới
không gian giữa các phân tử nhựa EPBT thông qua phản ứng cộng hợp giữa các
nhóm isoxyanat tự do của TDIKMTP giải phóng ra với các nhóm hydroxyl hoặc
amin có hydro hoạt tính nằm trên khung mạch chủ của nhựa EPBT tạo ra cầu
liên kết uretan bền vững ở nhiệt độ này.
3.1.2.3. Cơ chế đóng rắn màng sơn bằng nhựa MFBH
Cơ chế đóng rắn màng sơn bằng nhựa MFBH l nhờ phản ứng ete hoá hoặc phản
ứng ngng tụ giữa nhóm hydroxyl của nhựa EPBT với các nhóm hydroxyl hoặc amin bậc
hai của nhựa MFBH xảy ra ở nhiệt độ 140-150
o
C tạo ra mạch không gian bền vững giữa
các phân tử nhựa EPBT.
3.2. Khảo sát tính chât của CTM tổ hợp sơn điện di catốt
3.2.1. Tớnh cht của nhựa EPBT
3.2.1.1. ảnh hởng của khi lợng phân tử nhựa epoxy và tỉ lệ mol giữa các cấu tử
tạo nhựa EPBT đến độ bền hệ nhũ, đặc tính và chất lợng của màng sơn điện di catốt
Kết quả khảo sát cho thấy: Trong số các loại nhựa epoxy nh epikot 1001,
epikot 1004 và epikot 1007 sử dụng chế tạo nhựa EPBT thì việc lựa chọn nhựa
epikot 1004 có khi lợng phân tử bằng 1400 là phù hợp nhất. Từ nhựa epikot-1004
với tỉ lệ mol giữa các cấu tử tối u là epoxy/dietanolamin/aminoamit=1: 0,6: 1,4 đã
tạo ra nhựa EPBT có chỉ số hydroxyl bằng 232 mgKOH/g, chỉ số amin bằng 56
mgKOH/g cho chất lợng màng sơn tốt, hệ nhũ bền và ổn định cao.
3.2.1.2. ảnh hởng của mức độ trung hoà đến độ tan và độ bền của hệ nhũ hoá sơn
điện di catôt
0
10
20
30
40
50

60
70
80
90
100
0 20 40 60 80 100

0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1
2

Hình 3.18 Sự biến thiên độ tan của nhựa
EPBT (mẫu M
10
)theo mức độ trung hoà
nhựa bằng axit lactic
Hình 3.19 Sự biến thiên độ nhớt của nhựa
EPBT (mẫu M
10
) theo thời gian với các
mức trung hoà nhựa khác nhau.

Độ tan (%)

Mức độ t
rung
hoà (%)
Thời gian
(tháng)
Độ nhớt (giây)


9


Ghi chú: 1. Mức trung hoà 75%
2. Mức trung hoà 80%
Kết quả khảo sát cho thấy rằng độ tan và độ bền vững của hệ nhũ sơn điện
di catôt tăng lên theo chiều tăng của mức độ trung hoà. Tuy nhiên với mức trung
hòa nhựa bằng 80% sẽ cho chất lợng màng sơn tốt nhất.
3.2.2. Khả năng hấp phụ, độ bền và tính ổn định của hệ nhũ tổ hợp
Những thành phần nh dẫn xuất TDIKMTP cũng nh nhựa MFBH thực
tế không thể tự tan và tạo nhũ khi đợc trung hoà bằng axit. Nhng khi các
thành phần này tham gia trong tổ hợp với nhựa EPBT thì chúng lại có khả
năng tan, phân tán và tạo nhũ bền khi đợc trung hoà bằng axit, nguyên
nhân là do hiện tợng hấp phụ của những phân tử TDIKMTP và MFBH lên
trên bề mặt những phân tử nhựa EPBT đã nhũ hoá . Bao bọc xung quanh
những phân tử của nhựa EPBT tích điện là những phân tử TDIKMTP và
nhựa MFBH. Bằng phơng pháp phân tích kích thớc hạt nhũ của các phân tử
nhựa EPBT so sánh với kích thớc hạt nhũ của các tổ hợp nhựa này với sự tham
gia của các thành phần TDIKMTP hoặc nhựa MFBH đã cho thấy rằng kích
thớc hạt nhũ của các tổ hợp nhựa tăng lên một cách đáng kể, điều này minh

chứng cho sự hấp phụ của các phần tử TDIKMTP và nhựa MFBH lên trên bề
mặt phân tử nhựa EPBT.
3.2.3. Khả năng đồng điện kết tủa của hệ vật liệu CTM tổ hợp
Trong các hệ nhũ tổ hợp nhờ hiện tợng hấp phụ của những phân tử
TDIKMTP, MFBH cũng nh những hạt bột màu lên trên bề mặt của những
phân tử nhựa EPBT đã nhũ hoá tích điện (macro cationic) đã tạo cho hệ trở lên
phân tán đồng nhất. Quá trình điện kết tủa của nhựa EPBT đã kéo theo sự đồng
điện kết tủa của các những thành phần nh TDIKMTP, MFBH và bột màu lên
bề mặt điện cực catốt. Bằng phơng pháp phân tích, so sánh đối chứng phổ hồng
ngoại của các màng sơn điện di tổ hợp CTM (đợc kết tủa trên điện cực catốt)
với phổ hồng ngoại của tổ hợp CTM ban đầu đã cho thấy có một sự trùng khớp
nhau về phổ hồng ngoại, điều đó chứng tỏ rằng những thành phần nh dẫn xuất
TDIKMTP và nhựa MFBH không chỉ đợc hấp phụ lên những phân tử nhựa
EPBT mà còn đợc điện kết tủa cùng những phân tử nhựa EPBT trên catốt hình
thành lên màng sơn.
3.2.4. ảnh hởng của hàm lợng thành phần TDIKMTP và nhựa MFBH
trong tổ hợp CTM đến chất lợng màng sơn điện di.
Kết quả nghiên cứu cho thấy những mẫu sơn có hàm lợng thành phần
TDIKMTP tối u nằm trong khoảng 20-30% cho màng sơn tốt, màng sơn vừa
có độ cứng, đanh chắc cao, vừa cho độ bền uốn và độ bền va đập tốt. Đối với

10
hàm lợng của thành phần nhựa MFBH tối u nằm trong khoảng 10-15% cho
màng sơn điện di có tính năng cơ lý tốt nhất.
3.2.5. Khả năng đóng rắn màng sơn điện di
Xác định khả năng đóng rắn của màng sơn điện di đợc thực hiện bằng phơng
pháp soxhlet. Kết quả khảo sát cho thấy đối với hệ có thành phần của TDIKMTP thì
chế độ đóng rắn màng sơn tối u của CTM tổ hợp này là 170
o
C/30 phút . Đối với hệ

có thành phần nhựa MFBH thì chế độ sấy màng sơn tối u là 150
o
C/30 phút đảm bảo
vừa cho màng sơn có độ cứng cao vừa có độ bền uốn và độ bền va đập tốt
3.3. Khảo sát ảnh hởng của các yếu tố, chế độ sơn đến chất lợng màng
sơn điện di catốt không chứa bột màu.
Sau đây là kết quả nghiên cứu, khảo sát ảnh hởng của các yếu tố, chế độ
sơn đến chất lợng màng sơn điện di catốt đối với hệ vật liệu tạo màng tổ hợp là
nhựa EPBT-TDIKMTP trong đó thành phần tác nhân đóng rắn màng sơn là
TDIKMTP chiếm 25% của tổ hợp vật liệu tạo màng làm ví dụ điển hình.Việc
nghiên cứu khảo sát về hệ vật liệu tổ hợp EPBT-MFBH. Trong đó thành phần
tác nhân đóng rắn màng sơn là nhựa MFBH chiếm 15% đợc tiến hành một
cách tơng tự.
3.3.1. ảnh hởng của hàm lợng CTM.
3.3.1.1. ảnh hởng của hàm lợng CTM đến độ nhớt, độ dẫn điện riêng và đặc
tính của màng sơn điện di.
CTM cho sơn điện di catôt sau khi đợc trung hoà bằng axit lactic (ở đây
sử dụng mức trung hoà 80% số nhóm amin bậc 3) đã tạo cho nhựa phân tán tốt
dới dạng nhũ tơng trong nớc. Hàm lợng tối đa của CTM cho hệ nhũ tơng
bền, ổn định lâu dài hàng tháng có thể đạt đến 30-35%.
Bảng 3.16 ảnh hởng của hàm lợng CTM đến độ nhớt, độ dẫn điện và đặc
tính của màng sơn điện di catôt.
STT
mẫu

Hàm lợng
CTM (%)
Độ nhớt
(giây)
Độ dẫn điện

(àS.cm
-1
)
Đặc tính của màng sơn
1 5 10,2 1150 Màng sơn rất mỏng
2 10 10,5 1760 Màng sơn mịn và bóng
3 15 11,0 1980 Màng sơn mịn và bóng
4 20 11,5 2170 Màng sơn mịn
5 25 11,9 2690 Màng sơn rỗ xốp
6 30 15,2 2540 Màng sơn thô xốp
7 35 60,0 2360 Màng sơn thô xốp

11
* Ghi chú: - Độ nhớt đợc đo theo phễu VZ - 4 ở 25 - 27
o
C
- Sơn trên nền thép trần CT
3
ở U = 150V.
Kết quả khảo sát cho thấy rằng ở trong khoảng hàm lợng CTM:
C = 10 ữ 20% tơng ứng với độ dẫn 1760 ữ 2170 àS.cm
-1
cho màng sơn điện di
có độ mịn và độ bóng cao. Nằm ngoài khoảng hàm lợng này khi C <10%, hệ
nhũ cho độ dẫn quá thấp màng sơn mỏng hoặc cho độ dẫn quá cao, với C >
20%, 25% màng sơn xốp, thậm chí bị rỗ.
3.3.1.2. ảnh hởng của hàm lợng CTM đến tốc độ kết tủa sơn.
0
5
10

15
20
25
30
35
0 30 60 90 120 150 180

Hình 3.28 ảnh hởng của hàm lợng CTM đến tốc độ kết tủa sơn
(nền thép CT
3
, điện áp sơn = 150V; pH = 5,58, sơn tại 30
o
C).
Trên đồ thị hình 3.28 cho thấy, theo chiều tăng dần hàm lợng CTM tơng ứng với
chiều tăng dần của độ dẫn điện riêng dung dịch sơn, mật độ dòng điện khởi đầu càng cao
kt thỳc quỏ trỡnh sn mt dũng khi t giỏ tr n định càng lớn.Trong khoảng hàm
lợng CTM= 10-20% cho mật độ dũng khi t giỏ tr n định nhỏ (cỡ 1,7-2,2 mA/cm
2
),
tơng ứng với màng sơn có độ mịn cao, cấu trúc chặt khít. Tại hàm lợng CTM = 30%, giá
trị ny cao (cỡ 6,5-6,7 mA/cm
2
), tơng ứng với màng sơn thô, xốp.
3.3.1.3. ảnh hởng của hàm lợng CTM đến cấu trúc màng sơn





Hình 3.29 ảnh SEM của màng sơn điện di catốt ở các hàm lợng CTM khác nhau.

Nền thép CT
3
, a: Hàm lợng CTM = 5% , b: Hàm lợng CTM = 10%
c: Hàm lợng CTM = 15% , d: Hàm lợng CTM = 20% , e: Hàm lợng CTM = 30%
Trên ảnh SEM cho thấy rằng ở hàm lợng CTM = 5% cho màng sơn có cấu
trúc mịn nhng độ dày qúa mỏng. Trong khoảng hàm lợng CTM 10-20%, với
độ dày của màng tăng lên, cấu trúc của màng sơn càng thể hiện rõ nét hơn, với
hàm lợng CTM = 15% đã cho cấu trúc màng phát triển đều đặn. ở hàm lợng
CTM = 30% cho cấu trúc màng phát triển không đều đặn, màng thô xốp, nguyên
Thời gian [giây]
Mật độ dòng

[mA/cm
2
]
1

2

3

4

5

Hàm lợng CTM
1: C = 5%;
2. C = 10%; 3. C = 15%
4: C = 20%; 5: C = 30%;

a

b

c

d

e


12
0
5
10
15
20
25
30
35
0 30 60 90 120 150 180
nhân này là do hàm lợng CTM quá cao đã làm tăng độ nhớt và giảm độ dẫn điện của
dung dịch sơn, sự kết tủa điện di của sơn sẽ không đồng nhất.
3.3.1.4. ảnh hởng của hàm lợng CTM đến độ dày, khi lợng màng và năng
lực phân tán sơn điện di.
Bảng 3.17 Biến thiên khi lợng, độ dày màng và năng lực phân tán
sơn theo hàm lợng của CTM trên nền thép trần CT
3
(U = 150V., t = 3 phút, sơn tại 25
o

C).
Hàm lợng CTM (%) 5 10 15 20 25 30
khi lợng màng sơn (g/m
2
)
8,06

20,87

23,08

25,65

22,13

19,34

Độ dày trung bình màng sơn (àm)
7 18 20 22 19 17
Năng lực phân tán sơn (%) 95 98 98 98 96 95
Kết quả trên cho thấy rằng:Trong khoảng hàm lợng CTM từ 5% đến
20%, khi lợng và độ dày màng sơn tăng liên tục. Nhng khi hàm lợng CTM
vợt quá 20%, khi lợng và độ dày màng sơn lại giảm đi do độ nhớt của dung
dịch sơn tăng lên, độ linh động của các tiểu phân CTM giảm đi rõ rệt. ở những
hàm lợng CTM thấp hơn 10% và cao hơn 20% cho năng lực phân tán sơn thấp
hơn.Trong vùng hàm lợng CTM 15-20%, năng lực phân tán sơn tốt nhất, khi
đó màng sơn đợc kết tủa đồng đều.
3.3.2. ảnh hởng của điện áp sơn.
3.3.2.1. ảnh hởng của điện áp sơn đến tốc độ kết tủa và cấu trúc màng sơn điện di.

Hình 3.30 ảnh hởng của điện áp sơn đến tốc độ kết tủa sơn trên nền
thép trần CT
3
(hàm lợng CTM: C = 15%).
Trên hình 3.30 thể hiện rõ những điện áp sơn càng cao, mật độ dòng khi
t giỏ tr n định càng lớn hơn. Điện áp sơn U = 250V cho mật độ dòng khi t
giỏ tr n định ở giá trị khá cao (cỡ 7 - 7,5 mA/cm
2
) tơng ứng với màng sơn thô,
xốp, lý do ở điện áp cao này làm thoát khí hydro quá dữ dội. ở những điện áp
nằm trong khoảng 100 - 200V cho mật độ dòng khi t giỏ tr n định nhỏ (cỡ
Thời gian [giây]

Mật độ dòng

[mA/cm
2
]
1

2
3

4

Điện áp sơn:
1. U = 50V;
2. U = 100V;
3. U = 200V;
4. U = 250V;


13
0
5
10
15
20
25
30
35
40
30 60 90 120 150 180
2,0-2,5 mA/cm
2
) tơng ứng với màng sơn có độ mịn và độ bóng cao, cấu trúc
chặt khít hơn.




Điện áp sơn: a. U = 50V ; b. U = 100V; c. U = 200V d. U = 250V

Hình 3.31 ảnh SEM của màng sơn điện di trên nền thép CT
3
ở các điện
áp sơn khác nhau (hàm lợng CTM =15%).
Trên hình 3.31 qua ảnh SEM của màng sơn điện di ở các điện áp sơn khác
nhau càng khẳng định rõ rằng ở điện áp thấp (U= 50V) màng sơn tuy mỏng
xong cho cấu trúc rất mịn màng và chặt khít. Ngợc lại ở điện áp sơn cao (lớn
hơn 200V) cho cấu trúc màng sơn không đồng đều, màng sơn thực tế thô, xốp,
kém chặt khít hơn. Trong khoảng điện áp100-200V đã cho màng sơn đồng đều
mịn màng bóng đẹp.
3.3.2.2 ảnh hởng của điện áp đến khi lợng, độ dày màng và năng lực phân tán sơn.
Bảng 3.18 Biến thiên khi lợng, độ dày màng và năng lực phân
tán sơn theo điện áp sơn trên nền thép CT
3
.
Điện áp sơn (V) 50 70 100

120

150

180

200

250

khi lợng màng sơn (g/m
2
).

8,06

10,38

14,09

17,69

23,08

30,96

35,84

29,15

Độ dày trung bình của màng sơn (àm)
7 9 12 15 20 27 31 25
Năng lực phân tán sơn (%) 97 97 97 97 98 98 98 96
Ghi chú: Chế độ sơn: Hàm lợng CTM C = 15%; pH = 5,58, thời gian
sơn t = 3 phút, nhiệt độ sơn T
o
= 25
o
C.
Kết quả trên bảng 3.18 thể hiện rõ trong khoảng điện áp sơn nhỏ hơn
200V, khi tăng điện áp, khi lợng và độ dày màng sơn cũng tăng, năng lực
phân tán sơn thay đổi không đáng kể.
Khi sn điện áp sơn thấp (<150V) cho màng sơn mỏng .ở những điện
áp sơn cao (>250V) cho thấy màng sơn tạo ra thô, xốp nguyên nhân là do độ

dẫn điện của dung dịch sơn rất cao làm tăng lợng khí hydrô thoát ra dữ dội trên
điện cực chi tiết đợc sơn . ở điện áp cao này đã làm giảm khi lợng, độ dày
màng và năng lực phân tán sơn. Điện áp cao sẽ làm tăng nhanh nhiệt ca bể
sơn và kèm theo sự phát sinh nhiều phản ứng phụ, làm mất đi tính ổn định của
bể sơn. Khoảng điện áp sơn 150 - 200V là tối u cho phép tăng chiều dày màng
sơn đạt đến độ dày tiêu chuẩn mà vẫn đảm bảo khả năng phân tán tốt của sơn.
3.3.3. ảnh hởng của giá trị pH.








Điện áp [V]

Độ dày
màng sơn

[
à
à
à
àm]
Ghi chú:
6: pH = 6.5
5: pH = 6.0
4: pH = 5.5
3: pH = 5.0

2: pH = 4.5
1: pH = 4.0

6
5
4
3
2
1

a

b

c

d


14
Hình 3.32 ảnh hởng của pH và điện áp đến độ dày màng sơn trên nền thép CT
3
(Hàm
lợng CTM: C = 15%; thời gian sơn t = 3 phút, T
o
sơn = 27
o
C)
Trên đồ thị hình 3.32 cho thấy độ dày màng sơn điện di tăng lên cùng với
sự tăng của pH và điện áp sơn. ở những giá trị pH thấp (pH < 5,5) tơng ứng với

nồng độ ion hyđro cao và đặc biệt khi sơn ở những điện áp cao, lợng khí hydro
thoát mạnh, làm cho màng sơn trở lên thô, rỗ, độ dày màng cũng bị giảm đi.
Ngợc lại ở những giá trị pH cao (pH > 6,5) đã gây ảnh hởng xấu đến độ tan,
phân tán của CTM trong bể sơn đồng thời cũng làm cho màng sơn bị xốp, kém
chặt khít về mặt cấu trúc. Kết quả khảo sát thực tế cho thấy rằng giá trị pH nằm
trong khoảng pH = 5,5 - 6,5 cho màng sơn có chất lợng cao, độ dày lớn, bề mặt
mịn màng, chặt khít.









Hình 3.33 ảnh SEM của màng sơn điện di catốt ở các giá trị pH khác nhau.
3.3.4. ảnh hởng của hàm lợng dung môi hữu cơ.
Bảng 3.19 ảnh hởng của hàm lợng dung môi hữu cơ đến độ nhớt, độ dày
màng sơn, năng lực phân tán sơn và mật độ dòng cuối cùng.
Hàm lợng dung môi hỗn
hợp butylsellozol/
metylizobutylxetôn/
metylsellozol
= 3/2/2
trong bể sơn
(% khi lợng)
Độ nhớt dung
dịch sơn

= giây, phiễu
VZ -1 ở
T
o
= 30
o
C
Độ dày trung bình
của màng sơn điện
di trên hợp kim
nhôm D16AT
(àm)

Năng lực
phân tán
sơn
(%)

Mật độ
dòng điện
cuối cùng
(mA/cm
2
)

2% 48,2 20 98 2,1
4% 49,4 23 98 2,8
6% 50,3 25 97 3,9
8% 51,5 28 95 5,1
Ghi chú: Sơn ở chế độ:

- 180V/3phút, nồng độ hàm khô CTM=15%, mức trung hoà 80% nhựa.
- Nhiệt độ sơn ở 30
o
C.
Trong khoảng hàm lợng dung môi hữu cơ 2-8%, cùng với sự tăng của
hàm lợng dung môi thì độ nhớt của dung dịch sơn, độ dày màng và mật độ dòng
a

b

c

d

e

f

Ghi chú: Chế độ sơn:
-
Hàm lợng CTM = 15%; điện áp sơn
180V/ 3 phút
- Nhiệt độ sơn 30
o
C; nhiệt độ sấy đóng
rắn màng 170
o
C/ 30 phút
ảnh a: pH = 4 d: pH =5,5
b: pH=4,5 e: pH =6,0

c: pH = 5,0 f: pH = 6,5

15
khi t giỏ tr n định của bể sơn tăng lên, tuy nhiên năng lực phân tán sơn lại bị
giảm đi. ở những hàm lợng dung môi hữu cơ > 4% (6-8%) cho màng có độ dày
lớn song màng sơn lại kém bóng hơn (thể hiện năng lực phân tán sơn thấp hơn) và
kém chặt khít thể hiện rõ rệt ở mật độ dòng trao đổi cuối cùng tồn tại ở giá trị cao
(3,9-5,1mA/cm
2
). Trong khoảng hàm lợng dung môi hữu cơ tối u là 2 - 4% đã
tạo ra màng sơn vừa đạt độ dày tiêu chuẩn cho phép vừa cho năng lực phân tán sơn
tốt đồng thời màng có cấu trúc đặc khít cao thể hiện rõ rệt ở mật độ dòng trao đổi
cuối cùng tồn tại ở những giá trị khá nhỏ (2,1- 2,8mA/cm
2
).
3.3.5. ảnh hởng của thời gian và nhiệt độ sơn.







Hình 3.34 ảnh hởng của thời gian và nhiệt độ đến độ dày màng sơn.
Kết quả khảo sát ở trên đây cho thấy rằng ở giai đoạn đầu 0-30 giây tốc
độ sụt giảm dòng theo thời gian sơn là khá nhanh, thể hiện tốc độ kết tủa sơn
nhanh. Sau đó tốc độ sụt giảm dòng chậm dần và tiến tới đạt giá trị hằng định
khi đó tơng ứng thời điểm màng đạt độ dày và điện trở cực đại. Trên đồ thị
hình 3.34 thể hiện rõ thời gian sơn t = 2,5 phút màng đã đạt độ dày tối đa.
Khi tăng nhiệt độ sơn sẽ làm tăng tốc độ kết tủa và độ dày màng sơn. Sơn

ở nhiệt độ thấp (T
o
< 25
o
C) ), màng sơn mịn đều xong nhợc điểm là tốc độ kết
tủa tạo màng sơn chậm. Ngợc lại khi sơn ở nhiệt độ cao (T
ô
> 40
o
C) khi đó tốc
độ kết tủa tạo màng sơn nhanh chóng nhng lại nảy sinh nhợc điểm là làm
tăng độ dẫn điện của dung dịch sơn, kéo theo làm tăng tốc độ thoát khí dữ dội
của hydro trên catốt, khiến màng sơn thô, xốp, giảm chất lợng màng cả về độ
bám dính, độ bóng và khả năng bảo vệ nền. Quá trình sơn ở nhiệt độ cao cũng
phát sinh nhiều phản ứng phụ và làm mất đi tính ổn định của bề sơn. Trên thực
tế, sơn thờng thực hiện ở nhiệt độ 25 35
o
C là phù hợp nhất.
3.4. Khảo sát ảnh hởng của các yếu tố đến chất lợng màng sơn điện di
catốt có chứa bột màu.
3.4.1 nh hởng của điện áp sơn và giá trị pH của bể sơn
Ghi chú: Hàm lợng CTM: =
15%, pH = 5,58; U = 180 V trên
nền thép CT
3
)

1: Sơn ở 25
o
C;

2: Sơn ở 40
o
C;
3: Sơn ở 50
o
C

(
à
à
à
à
m)

1

2

3

30

Thời gian

[giây]
3
5

40

16
5,2
6,7
8,6
10,5
10,8
10,9
0
2
4
6
8
10
12
4 4,5 5 5,5 6 6,5
Giá trị pH
U=180V=const
Lợng bột màu (g/m
2
)
4,5
6,3
9,2
10,8
11,5
0
2
4
6

8
10
12
100 120 150 180 200
pH=6=const
Điện áp sơn (V)
Lợng bột màu (g/m
2
)

Hình 3.35 Biểu đồ biến thiên của hàm lợng bột màu TiO
2
kết tủa trong màng sơn
theo pH của bể sơn (a) và điện áp sơn (b)
Kết quả khảo sát về hệ sơn có chứa bột màu đã cho thấy rằng lợng bột
màu đồng điện kết tủa trên điện cực với các phân tử CTM tăng lên cùng với sự
tăng điện áp sơn và pH của bể sơn.
3.4.2. ảnh hởng của hàm lợng và bản chất bột màu.
Kết quả khảo sát đợc trình bày trong bảng 3.20 dới đây cho ta thấy
rằng khi tăng hàm lợng của bột màu trong bể sơn điện di, năng lực phân tán
sơn bị thay đổi một cách rõ rệt và bị giảm đi đáng kể khi hàm lợng bột màu
này vợt quá giới hạn cho phép. Đối với bột màu là bột oxít sắt đỏ (Fe
2
O
3
), hàm
lợng bột màu này nằm trong vùng lân cận 35% (khi lợng) cho năng lực phân
tán sơn tốt (98%), khi hàm bột màu vợt trên 35% sẽ cho năng lực phân tán sơn
giảm dần. Đối với bột màu là muội than, hàm lợng của muội than dao động
trong khoảng 10% cho năng lực phân tán sơn tốt. Đối với bột màu là bột titan

đioxit và hỗn hợp titan đioxit /muội than = 98/2 (Tạo ra sơn màu ghi) thì hàm
lợng bột màu có thể đạt đến 40%, vẫn cho sơn có năng lực phân tán tốt; màng
sơn đồng đều, độ bóng cao đồng nhất giữa hai bề mặt chi tiết đợc sơn.
Bảng 3.20 ảnh hởng của hàm lợng và bản chất bột màu đến
năng lực phân tán sơn
Bột màu
Hàm lợng bột màu (Theo %
khi lợng chất rắn trong bể sơn)

Năng lực phân
tán sơn (%)
25 98
35 98
45 93
Fe
2
O
3
khi lợng riêng

d=5,24g/cm
3
Kích thớc hạt <10àm
55 89
5 98
10 98
Muội than, khi lợng riêng
d=0,93g/cm
3

15 90
Ghi chú:


(Hàm khô bể
sơn=21%, trong đó tỷ
lệ lợng bột
màu/CTM=40/100
trọng lợng, thời gian
sơn 3 phút).
(a)

(b)


17
Kích thớc hạt <10àm
20 86
30 98
40 98
50 97
TiO
2
, khi lợng riêng
d=4,26g/cm
3

Kích thớc hạt <10àm
60 94
30 98

40 98
50 96
Hỗn hợp TiO
2
và muội than,
TiO
2
/muộithan =98/2
d=3,98g/cm
3

60 92

Hình 3.36 ảnh hởng của hàm lợng bột màu Fe
2
O
3
và thời gian ngâm mẫu đến
độ hấp thụ nớc của màng sơn

Hình 3.37 ảnh hởng của hàm lợng bột màu là muội than và thời gian ngâm
mẫu đến độ hấp thụ nớc của màng sơn

Hình 3.38 ảnh hởng của hàm lợng bột màu TiO
2
và thời gian ngâm
mẫu đến độ hấp thụ nớc của màng sơn
Ghi chú:
Hàm lợng
muội than

1: 0%
2: 5%
3: 10%
4: 15%
5: 20%

Ghi chú:
Hàm lợng TiO
2

1: 0%
2: 30%
3: 40%
4: 50%
5: 60%
Hàm lợng Fe
2
O
3

1: 0%
2: 25%
3: 35%
4: 45%
5: 55%

1
3

18
Ghi chú
: Hàm lợng
bột màu hỗn hợp

1: 0%
2: 30%
3: 40%
4: 50%
5: 60%

Hình 3.39 ảnh hởng của hàm lợng bột màu hỗn hợp TiO
2
/ muội than = 98/2 (khi
lợng) và thời gian ngâm mẫu đến độ hấp thụ nớc của màng sơn.
* Ghi chú: Tất cả các mẫu sơn trên đây đều đợc sơn trên nền thép trần CT
3
và ở
các điều kiện, chế độ sơn nh sau: Hàm lợng CTM = 15%, pH=6, sơn 180V/3 phút,
chế độ sấy màng sơn: 170
o
C/30 phút .
Nhận xét:Màng sơn điện di khi chứa bột màu, khả năng hấp thụ nớc của
màng sẽ giảm đi, chứng tỏ độ cht khít của màng sơn cao hơn so với màng sơn
không chứa bột màu. Khi tăng hàm lợng bột màu trong hệ sơn vợt quá giới
hạn cho phép, năng lực phân tán sơn sẽ bị giảm đi, khả năng hấp thụ nớc tăng
lên và khi đó cấu trúc màng sơn kém chặt khít hơn. ứng với mỗi loại bột màu
chỉ tồn tại một giới hạn hàm lợng cho phép đảm bảo cho màng sơn điện di
vừa có năng lực phân tán tốt vừa cho độ chặt khít cao Đối với bột màu là
Fe

2
O
3
, thì hàm lợng Fe
2
O
3
ở lân cận giá trị 35% cho màng sơn tốt nhất. Đối
với bột màu là muội than thì hàm lợng muội than ở lân cận giá trị 10% cho
màng sơn tốt .
Đối với bột màu là TiO
2
hoặc hỗn hợp TiO
2
/muội than với tỉ lệ 98/2 (khi
lợng) cho màng sơn màu ghi, hàm lợng những bột màu này ở lân cận 40% sẽ
cho màng sơn tốt nhất.
3.5. Những tính năng kỹ thuật của màng sơn điện di catốt
3.5.1. Tính năng cơ lý của màng sơn điện di catốt.
Bảng 3.21 Các tính năng cơ lý của màng sơn điện di catốt:
Chỉ tiêu kỹ thuật

Mẫu
sơn
không
màu
Sơn màu
đỏ nâu
(bột
màu

Fe
2
O
3
)

Sơn màu
đen (bột
màu là
muội
than)
Sơn trắng
(bột màu
là TiO
2
)

Sơn màu
ghi (bột
màu
TiO
2
và
muội than)

Tiêu chuẩn
xác định
Độ bám dính
(ph/pháp cắt ô),
điểm

1 1 1 1 1
TCVN 2097-
1993

19
Độ bền uốn
(mm)
1 1 1 1 1
TCVN 2099-
1993
Độ bền va đập
(kG.cm)
50 50 50 50 50
TCVN 2100-
1993
Độ cứng màng
sơn (Ph/pháp con
lắc)
0,47

0,54 0,58 0,55 0,56
TCVN 2098-
1993
Độ bóng màng
sơn (%)
100 100 98 98 99
TCVN 2101-
1993
Độ dày màng sơn
(àm)

30-40

30 - 40

20 - 25 30-40 30-40
TCVN 5878-
1995
Qua những số liệu ở bảng 3 21 trên đây có thể rút ra những nhận xét sau:
- Tất cả các mẫu sơn điện di catốt đều có độ bám dính rất tốt (Điểm 1), độ
bền va đập 50kG.cm (vợt thang thiết bị đo),độ bền uốn 1mm và có độ bóng
đạt giá trị rất cao (98-100%). Các mẫu sơn đều đạt độ dày màng sơn khá cao
(30-40àm), trừ mẫu sơn màu đen với việc sử dụng muội than là cho độ dày thấp
hơn (22àm).
3.5.2. Tính năng bảo vệ kim loại của màng sơn điện di catốt
3.5.2.1. Độ bền chịu mù muối của màng sơn điện di catốt.
Kết quả thử nghiệm độ bền mù muối (bảng 3. 22) có thể rút ra những nhận xét:
- Giữa chiều dày màng sơn và khả năng bảo vệ chống ăn mòn kim loại
của màng có quan hệ mật thiết với nhau. Khi chiều dày màng sơn tăng lên, khả
năng bảo vệ chống ăn mòn kim loại tăng lên. Những màng sơn mỏng (chiều
dày nhỏ hơn 15 àm) thể hiện rõ khả năng bảo vệ nền hạn chế, độ bền mù muối
chỉ đạt đến tối đa 14-15 chu kỳ (ngày đêm) . So sánh giữa màng sơn không
màu với màng sơn mang màu có thể nhận thấy rõ khả năng bảo vệ của màng
sơn chứa bột màu tăng lên một cách đáng kể đặc biệt nền thép đợc sử lý phốt
phát hoá. Kết quả đo đạc độ bền mù muối cho thấy màng sơn bảo vệ kim loại
tốt cần có chiều dày tối thiểu đạt đến 20-25àm. Những màng sơn có chiều dày
vợt trên 30àm, thậm chí vợt trên 35àm sẽ cho độ bền mù muối rất cao, có thể
đạt đến 35 hoặc trên 35 chu kỳ .
Bảng 3. 22 Kết quả thử nghiệm độ bền mù muối của màng sơn điện di catốt
theo thời gian xuất hiện vết gỉ ngày đêm, chiều dày màng sơn (
à

m)

20
Sơn không
màu
ngàyđêm(àm)

Sơn màu đỏ
nâu (chứa
Fe
2
O
3
)
ngàyđêm (àm)

Sơn màu đen
(chứa muội
than)
ngàyđêm(àm)

Sơn màu trắng
(chứa TiO
2
)
ngàyđêm(àm)

Sơn màu ghi
(chứa TiO
2

và
muội than)
ngàyđêm(àm)

Chiều
dày
màng
sơn
(àm)

Nền
thép
CT
3


Thép
CT
3

PPH

Thép
CT
3

Thép
CT
3

PPH

Thép
CT
3

Thép
CT
3

PPH

Thép
CT
3


Thép
CT
3

PPH

Thép
CT
3


Thép
CT

3

PPH

10-15

10(12)

13(11)

- - - - - - 14(13)

15(11)

15-20

17(16)

18(15)

20(17)

21(16)

19(18)

20(16)

21(18)

21(17)

20(17)

21(19)

20-25

21(25)

- - 24(22)

23(22)

24(21)

23(20)

- 24(25)

25(23)

25-30

27(29)

28(26)

29(28)

30(25)

- - 29(27)

30(26)

30(28)

31(26)

30-35

30(32)

- - 35(31)

- - - 35(32)

31(32)

35(31)

>35 35(36)

- 35(34)

- - - 35(42)

35(37)

35(39)

-
3.5.2.2. Độ bền ăn mòn điện hoá của màng sơn điện di catốt

Ecor (V)
-0,45
-0,40
-0,35
-0,30
-0,25
-0,20
-0,15
-0,10
-0,05
0,00
0,05
0,10
0 10 20 30 40 50 60
m3-0 m3-1
m3-2

(a)

Thời gian
(ngày)
Thời gian
(ngày)
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
0 10 20 30 40 50 60
m3-0 m3-1
m3-2
Zx10
7
(

)

(b)
Thời gian
(ngày)

0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
0
10
20
30
40
50
60
m3-0 m3-1
m3-2
R
f
x10
7
(



)

21


(c)
Hình 3.42 Biến thiên thế ăn mòn (a), tổng trở (b) và điện trở màng sơn điệndi

catốt (c) theo thời gian
Ghi chú:
m3-0: Màng sơn không màu trên nền thép trần CT
3

m3-1: Màng sơn chứa TiO
2
trên thép CT
3
phốt phát hoá

m3-2: Màng sơn chứa TiO
2
trên thép trần CT
3

Độ dày màng sơn: 25 - 30 àm.
Những kết quả đo xác định độ bền ăn mòn điện hoá của màng sơn thông
qua đo thế điện cực và tổng trở theo thời gian có thể rút ra một số nhận xét sau:
- Tất cả các màng sơn khi chứa bột màu đều có thế ăn mòn luôn dơng
hơn và có các giá trị tổng trở hệ lẫn điện trở màng cao hơn các mẫu sơn không
chứa bột màu. Đặc biệt khi nền mẫu sơn đợc xử lý phốt phát hoá bề mặt thì sự
khác biệt về những giá trị này càng lớn hơn rất nhiều so với màng sơn trên nền
thép trần. Điều đó khẳng định màng sơn khi chứa bột màu và nền đợc phốt
phát hoá bề mặt càng cho màng sơn có chất lợng cao hơn về độ bền chống ăn
mòn kim loại.
- Tất cả các mẫu sơn điện di catôt ngay cả màng sơn không chứa bột màu
và nền sơn không đợc xử lý phốt phát hoá bề mặt tổng trở của hệ và điện trở
của màng đều dừng lại ở các giá trị rất cao (> 10
7

) trong suốt thời gian 56
ngày đêm thử mẫu trong dung dịch NaCl 3%, điều đó chứng tỏ khả năng bảo vệ
chống ăn mòn kim loại tốt của những màng sơn này.
3.6. Quy trình công nghệ sơn điện di
Để chuẩn bị bể sơn trớc hết cần tiến hành trung hoà CTM để tạo ra hệ nhũ
tơng tan và phân tán đồng nhất trong nớc. Tiếp theo là cho bột màu, bột độn
và các thành phần phụ gia vào hệ nhũ, tiến hành nghiền kỹ hỗn hợp trong bình
bi xứ trong 3 ngày đêm đến khi đạt kích thớc hạt cỡ 10àm. Toàn bộ hỗn hợp
sau khi nghiền mịn đợc chuyển vào bể sơn có dung tích đã tính toán trớc. Đối
với hệ sơn điện di catốt, CTM là vật liệu tổ hợp giữa nhựa EPBT và TDI KMTP

22
hoặc phối hợp với nhựa MFBH, hỗn hợp vật liệu tạo màng này đợc trung hoà
bằng axit láctíc kết hợp máy khuấy để tạo ra hệ nhũ tơng tan và phân tán đồng
nhất trong nớc. Hệ nhũ tơng sau đó đợc bổ xung thêm thành phần bột màu,
bột độn và các chất phụ gia khác để tạo ra hỗn hợp past của bột màu. ở đây hàm
khô của past bột màu (gồm CTM, bột màu và chất độn) chiếm khoảng 40-50%.
Tiến hành nghiền kỹ past bột màu trong bình bi xứ đạt đến kích thớc hạt
10àm trớc khi chuyển vào bể sơn. Tiến hành pha loãng past bột màu bằng
nớc cất đến hàm khô quy định cho bể sơn.Thông qua sự khảo sát sơn sơ bộ để
tìm lựa chọn tối u các tham số của bể sơn và chế độ, điều kiện sơn nh hàm
khô của CTM, bột màu, bột độn, giá trị pH, độ dẫn điện của dung dịch sơn, điện
áp sơn v.v. Điều chỉnh hàm khô (CTM và bột màu) bằng cách bổ xung thêm
hỗn hợp của past bột màu ban đầu, điều chỉnh giá trị pH bằng cách bổ xung
thêm lợng axit láctíc trung hoà cho phù hợp với giá trị đã tối u hoá trớc khi
tiến hành sơn. Các tham số công nghệ sơn và tạo màng của bể sơn điện di catôt:
hàm khô của bể sơn 20-30% (khi lợng) trong đó hàm lợng CTM=15-20%, hàm
lợng bột màu và bột độn chiếm: 5-10%, pH của dung dịch sơn 5-6,5, độ dẫn điện
của dung dịch sơn 1700-2200àS/cm, điện áp sơn 150-200 V, nhiệt độ sơn 25-
35

o
C, thời gian sơn 2.5 -3 phút, chế độ sấy màng sơn 170
o
C/30phút đối với hệ
tổ hợp nhựa EPBT-TDIKMTP và 150
o
C/30phút đối với tổ hơp nhựa EPBT-
MFBH. Độ dày màng tạo ra 20- 30àm.
Quy trình công nghệ sơn điện di catốt đợc trình bày ở hình 3.45
dới đây: