Nghiên cứu gia tăng khả năng bảo vệ của lớp sơn phủ bằng khoáng sericit

Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện KH và Vật liệu

Lời cảm ơn
Khoá luận này được thực hiện tại Viện khoa học Vật liệu–Viện
KH&CN Việt Nam.
Em xin chân thành cảm ơn TS. Ngô Thế Kế Viện khoa học Vật liệu–
Viện KH&CN Việt Nam đã nhiệt tình, tận tâm hướng dẫn em trong suốt quá
trình thực hiện khoá luận này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Hoá học trường
ĐHSP Hà Nội 2 đã cung cấp cho em những kiến thức cơ bản trong quá trình
học tập để em có thể hoàn thành khoá luận này.
Quá thình thực hiện khoá luận tốt nghiệp trong thời gian ngắn không
tránh khỏi một số sai xót. Vì vậy, em rất mong nhận được sự góp ý chỉ bảo
của các thầy cô và các bạn sinh viên.
Hà Nội, ngày 10 tháng 5 năm 2009

Sinh viên
Hoàng Thị Thuý Nga

Khóa luận tốt nghiệp

Hoàng Thị Thúy Nga


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện KH và Vật liệu

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết
quả nghiên cứu, số liệu được trình bày trong khoá luận là hoàn toàn trung
thực và không trùng với kết quả khác.

Tác giả: Hoàng Thị Thuý Nga

Khóa luận tốt nghiệp

Hoàng Thị Thúy Nga


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện KH và Vật liệu

Danh mục các bảng và hình
1. Danh mục các bảng
Bảng 1: Phân loại độ bám theo kết quả thử.
Bảng 2: Thành phần sơn nghiên cứu
Bảng 3: Tính chất của sơn
Bảng 4: Tính chất cơ lý của màng sơn
Bảng 5: Độ bền hóa chất của màng sơn
Bảng 6: Kết quả thử nghiệm mù muối sau 480 giờ
2. Danh mục các hình
Hình 1: Cấu trúc tinh thể sericit
Hình 2: Sự bóc lớp trong tinh thể muscovit
Hình 3: Phổ FT-IR của khoáng sericit biến đổi bề mặt bằng
3-APTMS trong ethanol ở các nồng độ khác nhau
(a) Sericit ban đầu;(b) 0,5% 3-APTMS; (c) 1% 3-APTMS và (d) 4% 3APTMS

Hình 4: Phổ FT-IR của khoáng sericit biến đổi bề mặt bằng
3-APTMS 1% silan trong ethanol với thời gian phản ứng khác nhau
(a) Sericit không xử lý; (b) 1 giờ; (c) 4 giờ; (d) 24 giờ
Hình 5: Phổ FT-IR của khoáng sericit biến đổi bề mặt bằng 3- PTMS 1%
trong ethanol ở môi trường phản ứng khác nhau

Khóa luận tốt nghiệp

Hoàng Thị Thúy Nga


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện KH và Vật liệu

(a) Sericit ban đầu; (b) môi trường trung tính; (c) môi trường axit
Hình 6: Phổ FT-IR của khoáng sericit biến đổi bề mặt
bằng 3-APTMS 1% trong ethanol trước và sau khi sấy ở 500C
(a) Sericit ban đầu; (b) trước khi sấy; (c) sau khi sấy
Hình 7: Giản đồ phân tích nhiệt
(a) Sericit ban đầu
(b) Sericit được xử lý trong 4 giờ ở dung dịch 1% silan, môi trường axit
Hình 8: ảnh SEM mẫu sơn có sericit chưa biến đổi bề mặt
Hình 9: ảnh SEM mẫu sơn

Khóa luận tốt nghiệp

Hoàng Thị Thúy Nga

Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện KH và Vật liệu

Mục lục

Mở đầu...........................................................................................................1
Chương 1 : tổng quan.............................................................................3
1.1.

Khoáng sericit và ứng dụng trong lĩnh vực polyme................................3

1.1.1. Khái quát về sericit..................................................................................3
1.1.2. Nghiên cứu ứng dụng sericit trong polyme và sơn bảo vệ......................6
1.1.3. Biến đổi bề mặt sericit...........................................................................10
1.2.

Ăn mòn kim loại và phương pháp bảo vệ bằng màng sơn....................15

1.2.1. Ăn mòn kim loại....................................................................................15
1.2.2. Các phương pháp chống ăn mòn...........................................................18
1.2.3. Cơ chế bảo vệ của màng sơn.................................................................18
1.3.

Sơn trên cơ sở epoxy chống ăn mòn.....................................................20

1.3.1. Nhựa epoxy và quá trình đóng rắn........................................................20
1.3.1.1. Nhựa epoxy........................................................................................20
1.3.1.2. Các chất đóng rắn cho nhựa epoxy.....................................................23
1.3.2. Sơn trên cơ sở nhựa epoxy....................................................................27

Chương 2 : Thực nghiệm......................................................................29
2.1. Nguyên liệu..............................................................................................29

Khóa luận tốt nghiệp

Hoàng Thị Thúy Nga


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện KH và Vật liệu

2.1.1. Hợp chất silan........................................................................................29
2.1.2. Khoáng sericit.......................................................................................29
2.1.3. Chất tạo màng trên cơ sở nhựa epoxy...................................................30
2.1.4. Các hóa chất khác..................................................................................31
2.2. Phương pháp nghiên cứu..........................................................................31
2.2.1. Biến đổi bề mặt sericit..........................................................................31
2.2.2. Thiết bị khảo sát....................................................................................32
2.2.3 Chế tạo sơn.............................................................................................32
2.2.4. Nghiên cứu các tính chất của sơn và màng sơn.....................................33
2.2.4.1. Xác định hàm lượng chất không bay hơi............................................33
2.2.4.2. Xác định độ mịn của sơn....................................................................33
2.2.4.3. Xác định thời gian khô của sơn..........................................................34
2.2.4.4. Xác định độ bền va đập của màng sơn...............................................35
2.2.4.5. Xác định độ bền uốn của màng sơn....................................................35
2.2.4.6. Xác định độ cứng của màng sơn........................................................36
2.2.4.7. Xác định độ bám dính màng sơn trên nền thép..................................37
2.2.4.8. Xác định độ bền hóa chất của màng sơn............................................39
2.2.4.9. Thử nghiệm nhân tạo mù muối..........................................................39

2.2.5. Nghiên cứu cấu trúc hình thái sơn.........................................................40
Chương 3 : kết quả và thảo luận..................................................41

Khóa luận tốt nghiệp

Hoàng Thị Thúy Nga


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện KH và Vật liệu

3.1. Nghiên cứu biến đổi bề mặt sericit bằng hợp chất silan...........................41
3.1.1. Nghiên cứu điều kiện phản ứng silan hóa bề mặt sericit......................41
3.1.1.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ silan .........................................41
3.1.1.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian phản ứng..................................43
3.1.1.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường phản ứng..............................44
3.1.1.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình polyme hóa..............................45
3.1.2. Xác định mức độ silan hóa sericit bằng phân tích nhiệt........................47
3.1.3. Kết luận.................................................................................................48
3.2. Nghiên cứu ứng dụng của sericit để tăng cường khả năng bảo vệ cho hệ
sơn epoxy-pek.................................................................................................49
3.2.1. Chế tạo sơn trên cơ sở nhựa epoxy........................................................49
3.2.2. Khảo sát tính chất của sơn.....................................................................50
3.2.3. Khảo sát tính chất cơ lý của màng sơn .................................................52
3.2.4. Khảo sát độ bền hóa chất của màng sơn................................................53
3.2.5. Xác định khả năng bảo vệ màng sơn bằng thử nghiệm mù muối.........54
3.2.6. Khảo sát cấu trúc hình thái màng sơn...................................................54
kết luận.....................................................................................................56
Tài liệu tham khảo...............................................................................58

Khóa luận tốt nghiệp

Hoàng Thị Thúy Nga


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện KH và Vật liệu

Mở đầu
1. Lý do chọn đề tài
Sơn là nghành kĩ thuật đang trên đà phát triển theo nhịp độ phát triển
chung của nền kinh tế quốc dân. Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại
hoá cần có yêu cầu cao về chất lượng các loại sơn và chất lượng gia công
màng sơn.
Bề mặt của các vật dụng dễ bị phá huỷ, ăn mòn do tác dụng của khí
quyển (ánh sáng, ẩm ướt, nấm mốc...) và tác dụng điện hóa học. Khi bề mặt
kim loại được phủ bằng lớp sơn sẽ cách ly với môi trường bên ngoài, bảo vệ
chống ăn mòn, tăng tuổi thọ cho sản phẩm...
Muốn được màng sơn đẹp, tốt, bền ngoài yêu cầu về chất lượng các
loại sơn, phương pháp gia công sơn đóng vai trò rất quan trọng.
Từ thực nghiệm và qua quá trình nghiên cứu người ta thấy rằng khi phủ
một lớp khoáng sericit bên ngoài sẽ làm tăng khả năng bảo vệ của lớp sơn.
Sericit là một loại khoáng mica, có cấu trúc vẩy, cách điện, cách âm và
cách nhiệt tốt. Sericit có khích thước hạt nhỏ, mịn rất phù hợp để làm bột gia
cường cho vật liệu polyme.
Nghiên cứu ứng dụng của khoáng sericit để gia tăng độ bền cơ học, tính
chất cách điện cho cao su và các vật liệu polyme, tăng khả năng bảo vệ của
các lớp phủ đã được thông báo trên nhiều công trình trên thế giới. Hiện tại

vấn đề này vẫn được nhiều nhà khoa học quan tâm, sericit còn được sử dụng
trong hoá mỹ phẩm để tăng vẻ đẹp và khả năng chống tia cực tím cho nhiều
loại kem dưỡng da.

Khóa luận tốt nghiệp

Hoàng Thị Thúy Nga


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện KH và Vật liệu

Trong công nghiệp sơn sericit có ứng dụng quan trọng làm tăng tính
huyền phù cho sơn, làm tăng độ bám dính bề mặt, giảm độ co ngót, chống
phồng rộp và các tác động của thời tiết, chống tác hại môi trường, giảm độ
chảy. Đặc biệt sericit là chất không thể thiếu trong chế tạo sơn ô tô nhất là sơn
nhũ để tạo độ bóng và ánh kim lấp lánh.
Với những ứng dụng trên của khoáng sericit, tôi nghiên cứu đề tài
“Nghiên cứu gia tăng khả năng bảo vệ của lớp sơn phủ bằng khoáng sericit”.
2. Nội dung nghiên cứu
Để thực hiện mục tiêu trên, nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm:
+ Nghiên cứu khả năng bảo vệ của màng sơn được gia cường bằng
sericit với hàm lượng khác nhau.
+ ảnh hưởng của sericit đến độ bền hoá chất của màng sơn.
+ Tính năng cơ lý của màng sơn.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
Nghiên cứu khả năng bảo vệ màng sơn bằng khoáng sericit:


Khi có mặt sericit thì tính chất của màng sơn thay đổi như thế
nào?


Hàm lượng sericit cần cho vào là bao nhiêu là tốt nhất.

Khóa luận tốt nghiệp

Hoàng Thị Thúy Nga


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện KH và Vật liệu

Chương 1 : tổng quan
1.1. Khoáng sericit và ứng dụng trong lĩnh vực polyme
1.1.1. Khái quát về sericit
Sericit là dạng thù hình ẩn tinh (vi tinh thể) có các đặc tính chung của
mica nên nhiều khi được viết là mica-sericit. Công thức hoá học của sericit là
KAl2(OH)2(AlSi3O10) với thành phần là: SiO2 = 43,13-49,04%; Al2O3 =
27,93-37,44%; K2O+Na2O = 9-11%; H2O = 4,13-6,12%. [1]
Sericit có đặc tính chung của muscovit như:


Tinh thể hệ đơn tà, cấu trúc lớp (của các tứ diện Al-Si-O).


Độ cứng (theo bảng Mohr): 2-3.


Tỷ trọng: 2,5 đến 3,2g/cm3, đặc trưng là 2,82.


Có khả năng phân tấm mỏng hoặc rất mỏng, tỷ lệ đường kính bề
mặt/ độ dày > 80, độ mịn cao.


Dễ uốn, dẻo (modul đàn hồi vào khoảng 1500-2100 MPa)


Trong suốt đến trong mờ, có tính ánh kim trên bề mặt.


Màu trắng, vàng nâu, (muscovit có thể có màu đỏ nâu rubi).


Chịu nhiệt cao tới 600 đến 11000C, dẫn nhiệt kém (hệ số dẫn
nhiệt vào khoảng 0,419-0,670 W/m.K). Nhiệt dung riêng là 0,8
kJ/kg.K, cách điện tốt (độ bền điện 200kV/mm).


Bền hóa chất, trơ với dung dịch kiềm và axit.


Không thấm nước.


Chống tia UV tốt.

Sericit có thành phần và cấu trúc tương tự kaolinit nên nó có một số
tính chất của sét như dễ phân tán trong nước và trong dung môi hữu cơ.

Khóa luận tốt nghiệp

Hoàng Thị Thúy Nga


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện KH và Vật liệu

Sericit bắt đầu được khai thác và sử dụng nhiều từ giữa thế kỷ 19.
Sericit tự nhiên nói chung được khai thác, chế biến và sử dụng rộng rãi, đặc
biệt ở những nước công nghiệp phát triển. Lĩnh vực sử dụng sericit rất rộng,
trong công nghiệp điện tử, công nghiệp điện, xây dựng, chế tạo sơn và các
chất phủ, chất độn trong công nghiệp nhựa, cao su, trong công nghiệp dầu khí
và cả trong công nghiệp hóa mỹ phẩm….
Tổng sản lượng sản phẩm sericit năm 2006 là 342 000 tấn. Những nước
khai thác hàng đầu thế giới phải kể đến là Mỹ, Nga, Hàn Quốc, Canada, Pháp,
Đài Loan, Malysia, Brazin. Giá trị của các sản phẩm sericit phụ thuộc vào độ
sạch, độ mịn, độ trắng và nhất là hàm lượng các kim loại nặng còn lại trong
sản phẩm. Giá trung bình của bột sericit chế biến theo phương pháp khô là
237 USD/tấn, theo phương pháp ướt là 784 USD/tấn. Sericit thương mại sạch,
đã được sử lý bề mặt có thể lên tới 15 000 đến 40 000 USD/tấn [1].
Theo thông tin của USGS, nhu cầu về các sản phẩm sericit tăng 1-3%
mỗi năm, chủ yếu trong lĩnh vực công nghiệp sơn phủ, gia cường cho các vật
liệu polyme, nhựa đặc chủng trong ô tô, và công nghiệp hóa mỹ phẩm.
Sericit tự nhiên có dạng bột mịn, được sử dụng trong công ngiệp chế
tạo sơn cao cấp, dung dịch khoan, dung dịch bôi trơn động cơ ... Ngày nay,

khi khoa học và công nghệ đã phát triển, cùng với nhu cầu ngày càng cao của
các ngành kinh tế quốc dân, người ta đã tìm thấy tính năng đặc biệt và công
dụng rất nhiều mặt của sericit nói chung và của sericit nói riêng.
Tinh thể mica-sericit có cấu trúc lớp, bao gồm 3 lớp: 1 lớp bát diện
được kẹp giữa hai lớp tứ diện giống nhau, với các đỉnh của cả hai lớp tứ
diện hướng vào trong. Hai lớp tứ diện liền kề chung nhau nguyên tử oxy
tạo ra mạng lưới 6 cạnh. Các nhóm hydroxyl tự do cùng với các nguyên tử

Khóa luận tốt nghiệp

Hoàng Thị Thúy Nga


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện KH và Vật liệu

oxy ở đỉnh tạo thành mặt phẳng chung nối giữa các lớp tứ diện và bát diện.
ở lớp tứ diện, cứ 4 nguyên tử Si hóa trị 4 thì có một nguyên tử được thay
thế bằng một nguyên tử Al hóa trị 3 làm mất cân bằng điện tích ở mặt này.
Điện tích âm của lớp này được cân bằng bởi 1 lớp các ion K+ [35].

Lớp tứ diện

Lớp bát diện
diện
Lớp tứ diện

Hình 1: Cấu trúc tinh thể sericit
Các ion K+ nằm ở các hốc trống vòng sáu cạnh oxy trên bề mặt cơ sở

của tứ diện Si3Al. Mica-sericit có thể bóc tách dọc theo mặt phẳng của lớp
ion K+. Điều này là do các liên kết hóa trị trong các lớp của nhôm silicat
bền vững hơn các liên kết ion giữa các lớp. Chính vì vậy, mica-sericit có
thể bóc tách dễ dàng giữa các lớp có bề mặt nhẵn bóng.

Khóa luận tốt nghiệp

Hoàng Thị Thúy Nga


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện KH và Vật liệu

Hình 3: Sự bóc lớp trong tinh thể muscovit
Bề mặt của mica-sericit bao gồm các nguyên tử oxy được liên kết
cộng hóa trị với các nguyên tử silic (75%) và các nguyên tử nhôm (25%)
[44]. Không có nhóm hydroxyl nào trên bề mặt. Các nguyên tử oxy được
sắp xếp tạo thành các hốc trống với diện tích vào khoảng 0,18 nm2 và có
một nhóm hydroxyl ở vị trí thấp hơn khoảng 0,17 nm. Các ion K + chiếm
các hốc trống trong tinh thể
Khi sericit được cho vào trong nước, các ion K+ tách ra từ bề mặt.
Do mật độ điện tích trên bề mặt cao, nên phần lớn các ion K+ tập trung ở
các vị trí gần với bề mặt của mica-sericit. Tuy nhiên dưới điều kiện thích
hợp các ion K+ có thể trao đổi một cách định lượng với các ion khác.
1.1.2. Nghiên cứu ứng dụng sericit trong polyme và sơn bảo vệ
a. Trên thế giới
Nghiên cứu ứng dụng khoáng sericit để gia cường cho cao su và chất
dẻo, tăng khả năng bảo vệ cho các lớp phủ đã được thông báo trên nhiều công
trình trên thế giới và hiện tại vấn đề này vẫn được nhiều nhà khoa học quan

Khóa luận tốt nghiệp

Hoàng Thị Thúy Nga


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện KH và Vật liệu

tâm. Những năm gần đây, bột sericit đã được nghiên cứu đưa vào sử dụng để
gia cường cho các nhựa nhiệt dẻo và nhiệt rắn tạo thành vật liệu compozit để
nâng cao các tính chất của polyme nền. Mica-sericit có cấu trúc vẩy nên đã
được nghiên cứu sử dụng trong các lớp phủ bảo vệ cần sự che chắn tốt. Mica
thương mại CD-3200 muscovit của hãng Georgia Industrials, Inc. được
nghiên cứu để chế tạo sơn chịu nhiệt, sơn ngoài trời, sơn chịu nước biển và
dùng trong công nghiệp có môi trường xâm thực cao [3].
Sericit không những có hệ số dẫn nhiệt thấp mà độ cứng của nó không
cao [4]. Các nghiên cứu [5-9] cho thấy polypropylen (PP) gia cường bằng bột
sericit có các tính chất cơ, lý và hóa được tăng cường, độ thẩm thấu khí và hơi
nước giảm, kích thước của sản phẩm được ổn định. Các tác giả đã thiết lập
được quan hệ giữa tính chất cơ lý của sản phẩm với kích thước, nồng độ và
các phương thức sắp xếp tinh thể sericit trong tổ hợp [10-12]. Bột sericit đã
được sử dụng để gia cường cho vật liệu compozit trên cơ sở nhựa epoxy [13].
Hàm lượng bột sericit đã làm tăng độ cứng và làm giảm hệ số ma sát của vật
liệu tổ hợp epoxy-sợi thủy tinh. Bột sericit đã được nghiên cứu để cải thiện
tính cách điện và cách nhiệt của tổ hợp nhựa epoxy [14].
Sericit có kích thước hạt tự nhiên nhỏ (<50m) nên dễ dàng sử dụng
làm phụ gia cho sơn bảo vệ. Nhiều patent của Nhật Bản và Mỹ đã mô tả một
số loại sơn trang trí có bề mặt như ngọc trai khi sử dụng sericit kết hợp với

các oxit kim loại khác [36-38]. Các loại sơn này được sử dụng để sơn xe du
lịch. Sericit có cấu trúc vẩy nên khả năng che chắn tốt, giúp cho sơn có khả
năng bảo vệ cao.
Trong công nghiệp sơn, mica-sericit là một loại bột độn gia cường
chức năng có tác dụng làm tăng độ phủ của màng sơn, ngăn cản sự xâm thực
của môi trường đến bề mặt cần bảo vệ nhờ có các tính năng đặc biệt đã được

Khóa luận tốt nghiệp

Hoàng Thị Thúy Nga


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện KH và Vật liệu

các nhà thương mại khẳng định:
1. Che chắn tia tử ngoại và chống bức xạ IR,
2. Dễ dàng phân tán, tạo huyền phù, bám dính tốt,
3. Có cấu trúc vẩy, bền hóa chất, cách nước, chống nấm mốc, bền
axit và kiềm,
4. Dễ dàng phân tán với các pigment khác và dung môi,
5. Mềm dẻo nên giúp cho sơn bề va đập và có tuổi thọ cao.
6. Phân tử mica dễ hấp phụ trong mạng tinh thể micro, giúp cho
sơn bền mầu, bền thời tiết và tuổi thọ cao,
7. Giá cả hấp dẫn
Trong công trình nghiên cứu tại trường đại học Pardubice và Viện Hàn
lâm KH CH Séc, Petr Kalenda và cộng sự đã khảo sát ảnh hưởng của micasericit muscovit được sử lý bề mặt bằng Fe2O3 đến tính chất của lớp sơn phủ
epoxyester [37]. Mica-sericit đã sử lý bề mặt có tác dụng như là pigment hoạt
tính ngăn cản quá trình xâm nhập của các chất xâm thực như sơ đồ dưới đây:

A

B

Quá trình khuyếch tán môi trường ăn mòn qua lớp
sơn bảo vệ có pigment đẳng hướng (A) và không
đẳng hướng-mica (B)
Mica-sericit được sử lý bề mặt đã có tác dụng ngăn cản sự tạo bọt,

Khóa luận tốt nghiệp

Hoàng Thị Thúy Nga


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện KH và Vật liệu

chống ăn mòn tốt hơn mica-sericit chưa sử lý. Màng sơn được gia cường bằng
mica-sericit sử lý bề mặt có khả năng chống tia UV và các tính năng cơ lý tốt
hơn, đặc biệt độ bám dính được cải thiện đáng kể. Các tác giả cho rằng, hàm
lượng tối ưu của mica-sericit trong màng sơn là 20% thể tích.
b. ở Việt Nam
Bột khoáng mica nói chung và sericit nói riêng chưa được sử dụng
nhiều ở nước ta. Những năm 80-90 thế kỷ trước Viện KT nhiệt đới đã sử dụng
bột mica để nghiên cứu tăng cường tính cách điện cho các lớp phủ bảo vệ các
thiết bị đầu cáp bằng phương pháp đúc với nhựa epoxy. Gần đây phòng NC
vật liệu polyme & compozit cũng đã kết hợp với Viện hoá học, nghiên cứu
chế tạo thảm cao su cách điện dùng trong công nghiệp có sử dụng bột khoáng

mica và các chất gia cường khác [16]. Các nghiên cứu trên đây cũng mới chỉ
dừng ở mức thăm dò, không được hệ thống vì không có nguồn bột khoáng
mica có độ mịn và độ sạch cần thiết.
Nhờ các công trình nghiên cứu điều tra và công nghệ tuyển, nhiều sản
phẩm mica, đặc biệt là dưới dạng sericit đã dần trở thành thương phẩm.
Nghiên cứu ứng dụng các sản phẩm mica-sericit để gia cường, nâng cao các
tính chất cho các vật liệu cao su, chất dẻo là việc làm cần được quan tâm, phát
triển ở nước ta.
Trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu cấp cơ sở của Viện KH Vật liệu,
khoáng sericit đã được sử dụng để gia cường cho CSTN [39].
Sericit có thể trộn hợp tốt với cao su, dễ dàng hơn so với các bột độn
thông thường là SiO2 và kaolin, đã giúp cho quá trình gia công chế tạo mẫu
rút ngắn được thời gian, tăng hiệu quả kinh tế. Sericit đã làm giảm thời gian
lưu hoá của cao su, nhất là các sericit được biến đổi bề mặt bằng aminsilan.

Khóa luận tốt nghiệp

Hoàng Thị Thúy Nga


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện KH và Vật liệu

Sericit đã có tác dụng gia tăng các tính chất cơ lý, độ bền nhiệt và tính chất
điện của vật liệu nhất là các sericit được biến đổi bề mặt bằng hợp chất silan.
Sericit biến đổi bằng vinylsilan đã tham gia vào quá trình lưu hoá cao su nên
các tính chất của vật liệu được gia tăng mạnh nhất. Sericit biến đổi bằng
aminsilan có các nhóm chức hoạt tính NH2 nên không phù hợp cho các vật
liệu cách điện.

Sericit được biến đổi bề mặt bằng 3-APTMS tương tác tốt hơn với
chất tạo màng của hệ sơn epoxy-pek, giúp cho màng sơn có các tính năng
bảo vệ tốt hơn, đặc biệt là khả năng che chắn. Sericit đã gia tăng độ cứng
cho màng sơn, giúp màng sơn khô nhanh hơn, bền hóa chất và môi trường
hơn và ít làm ảnh hưởng tới các tính chất cơ lý khác của màng sơn.
1.1.3. Biến đổi bề mặt sericit
Theo lý thuyết, sericit có thể làm tăng độ bền của vật liệu như là PP.
Tuy nhiên nhiều tác giả [7-24-26] cho thấy rằng, bột sericit trong nhựa PP đã
làm giảm độ bền của vật liệu. Vấn đề đặt ra là phải sử lý bề mặt của bột
sericit. Thường bột sericit được sử lý bằnng cách phủ lên bề mặt một lớp các
hợp chất silan hoặc các monome hoạt tính. Phần lớn các nghiên cứu cho thấy
khi sử dụng bột sericit đã được sử lý bề mặt, các tính chất cơ lý như độ bền
kéo, độ bền uốn đều tăng lên, độ bền va đập không giảm hoặc tăng chút ít.
Anders S. [15] đã sử dụng N-(N-vinyl benzyl-2-amino ethyl)-3-amino propyl
trimethoxy silan hydroclorid và metacryloxy propyl trimethoxy silan làm chất
sử lý bột sericit để nghiên cứu khă năng che chắn của tổ hợp HPDE-sericit .
Vật liệu được gia cường bằng sericit đã sử lý bề mặt có độ thẩm thấu được cải
thiện. Pushpa Bajaj [14] đã khảo sát sự biến đổi các tính chất nhiệt và điện
của vật liệu tổ hợp epoxy với sericit được sử lý bề mặt bằng 3 loại hợp chất
silan khác nhau. Kết quả đều cho thấy cần thiết phải sử lý bề mặt của bột

Khóa luận tốt nghiệp

Hoàng Thị Thúy Nga


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện KH và Vật liệu

sercit để tăng cường khả năng tương tác giữa các pha dẫn đến tăng các tính
chất của vật liệu. Biến đổi bề mặt sericit có thể thực hiện bằng nhiều cách để
tạo cho sericit có thể tương hợp tốt với polyme nền cần gia cường. Silan là
hợp chất hay được dùng nhất như là chất ghép nối giữa nền polyme với các
khoáng chất khác trong đó có sericit:

Với bề mặt tương đối trơ về mặt hóa học và không tương thích với
các chất nền polyme của sericit đã hạn chế nhiều ứng dụng của nó. Vì vậy
cũng như nhiều chất độn vô cơ khác, biến đổi bề mặt của sericit là cần thiết
trong nhiều trường hợp để nâng cao khả năng tương hợp với polyme nền.
Phương pháp biến đổi bề mặt sericit được sử dụng phổ biến hiện nay là sử
dụng các tác nhân ghép nối silan.
Sau khi biến đổi bằng các hợp chất silan, bề mặt của sericit được
hoạt hoá nhờ các nhóm chức hữu cơ như amino, epoxy hay vinyl. Khi gia
cường cho các vật liệu polyme hay cao su, sericit có thể tạo liên kết hoá
học hay vật lý với các pha nền trên mô tả trong 2 trường hợp dưới đây [43]:
- Tham gia phản ứng lưu hoá cao su

Khóa luận tốt nghiệp

Hoàng Thị Thúy Nga


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện KH và Vật liệu

- Tạo liên kết vật lý với polyme:

Như vậy tùy từng loại polyme hay cao su được gia cường mà cần

phải lựa chọn hợp chất silan cho phù hợp để thực hiện quá trình xử lý biến
đổi bề mặt sericit.
Phương pháp biến đổi bề mặt gián tiếp
Như trên đã trình bày, trên bề mặt của các phiến mica-sericit không
có nhóm hydroxyl. Các nhóm hydroxyl nằm bên trong tinh thể, dưới bề mặt
khoáng 0.17 nm. Vì vậy khó có thể biến đổi bề mặt mica-sericit trực tiếp
bằng liên kết hóa học tạo ra từ phản ứng giữa các nhóm hydroxyl của mica
với các nhóm silanol tạo thành sau khi thủy phân các hợp chất silan.
Nhóm tác giả E. Kiss và C-G. Golander [42] đã thực hiện thành công
quá trình biến đổi bề mặt của mica-sericit với nước ở thể plasma để tạo ra
các nhóm Si-OH hoạt động trên bề mặt của mica-sericit, sau đó tiến hành

Khóa luận tốt nghiệp

Hoàng Thị Thúy Nga


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện KH và Vật liệu

quá trình silan hóa bề mặt bằng isocynatopropyldimethylchlorosilane:

Khi đã tạo được các nhóm silanol (Si-OH) trên bề mặt của micasericit, quá trình silan hóa trên bề mặt của nó như nhiều tài liệu đã đề cập
diễn ra như sau [41]:

Đầu tiên diễn ra quá trình thủy phân ba nhóm không bền chứa trong
phân tử tạo ra các silanol. Tiếp theo là quá trình ngưng tụ các silanol này để
tạo thành các oligome. Các oligome này sau đó liên kết hydro với các nhóm
OH trên bề mặt của chất nền. Cuối cùng, cùng với quá trình làm khô hay hóa

rắn thì một liên kết cộng hóa trị được tạo thành với chất nền cùng với sự tách
ra của các phân tử nước. Mặc dù được mô tả trải qua 4 bước, nhưng những
phản ứng này gần như diễn ra đồng thời ngay sau bước thủy phân đầu tiên. ở
bề mặt tiếp xúc giữa các silan với chất nền, thường chỉ có một liên kết giữa

Khóa luận tốt nghiệp

Hoàng Thị Thúy Nga


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện KH và Vật liệu

mỗi một silan hữu cơ với bề mặt của chất nền. Hai nhóm silanol còn lại hoặc
ngưng tụ với nhóm silanol khác hoặc là ở trạng thái tự do. Nhóm R có khả
năng tạo liên kết hóa trị hoặc tương tác vật lý với các pha khác. Cơ chế của
phản ứng silan hóa diễn ra trên bề mặt là phức tạp, phụ thuộc nhiều vào loại
hợp chất silan và bản chất của bề mặt chất nền cần biến đổi. Nhiều tác giả đã
nghiên cứu làm sáng tỏ cơ chế này.
Phương pháp biến đổi bề mặt trực tiếp
Nhiều tác giả khác cũng đã tiến hành biến đổi trực tiếp bề mặt của
mica-sericit bằng các hợp chất silan trên cơ sở bề mặt tích điện âm của
mica-sericit. Các phản ứng silan hóa diễn ra trên bề mặt chủ yếu là phản
ứng trao đổi ion của các cation silan hoặc các phần mang điện tích dương
trên phân tử silan với ion K+, nhằm mục đích trung hòa phần điện tích âm
trên bề mặt mica-sericit [44].
B. D. Favis và đồng nghiệp [40] đã sử dụng phương pháp phân tích
cacbon để xác định lượng cation vinyl benzyl silan (CVBS) hấp phụ trên bề
mặt mica-sericit. Kết quả cho thấy CVBS có thể hấp phụ khá tốt trên bề

mặt mica-sericit trong một khoảng pH rộng của dung dịch xử lý và tốt nhất
trong môi trường trung tính hoặc axit. Trong một nghiên cứu khác, Favis
cũng đã sử dụng CVBS để biến đổi bề mặt của mica-sericit và đưa vào
polystyren. Sản phẩm mica-sericit đã được biến đổi bề mặt bằng hợp chất
silan có khả năng tương tác tốt với chất nền polystyren [47].
C. R. G. Furtado và các đồng nghiệp [46] đã sử dụng bis(3triethoxysilylpropyl) tetrasunphide biến đổi bề mặt của mica-sericit để thay
thế một phần oxit silic dùng làm chất độn cho cao su styren butadien. Các
tác giả đã chỉ ra rằng, các tác nhân ghép silan đã tăng cường tương tác giữa

Khóa luận tốt nghiệp

Hoàng Thị Thúy Nga


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện KH và Vật liệu

chất độn với cao su từ đó nâng cao một số tính chất của vật liệu.
Để sử dụng các phiến mica-sericit gia cường cho HDPE, Tariq M.
Malik đã tiến hành xử lý bề mặt của chất độn bằng 3-amino propyl
triethoxy silan và alkoxy trimethacryl titanat.
Kết quả cho thấy với các chất độn đã được xử lý bề mặt, tính chất cơ
lý của vật liệu đã được tăng lên, đặc biệt là trong trường hợp xử lý bề mặt
bằng hợp chất silan [45].
Khả năng hấp phụ của hợp chất silan phụ thuộc vào pH và thực tế là
các lớp silan trên bề mặt có thể bị giải hấp nếu được ngâm trong dung dịch
chất điện ly cũng cho thấy rằng liên kết của các silan với bề mặt micasericit là các liên kết tĩnh điện tạo thành do sự hút bám giữa các nhóm
amoni và bề mặt tích điện âm của sericit. Trong nghiên cứu khả năng hấp
phụ của các aminsilan trên bề mặt của sericit, Peter Herder và cộng sự đã

sử dụng 3-amino propyl triethoxy silan và N-(N-vinyl benzyl-2-amino
ethyl)-3-amino propyl trimethoxy silan hydroclorid để biến đổi bề mặt của
sericit. Phân tích các kết quả thu được, các tác giả rút ra kết luận rằng với
các bề mặt tích điện cao như của mica-sericit thì cơ chế cho sự ghép nối
với các aminsilan là các tương tác tĩnh điện với bề mặt tĩnh điện âm trên bề
mặt của mica-sericit [43]:

1.2. Ăn mòn kim loại và phương pháp bảo vệ bằng màng sơn
1.2.1. Ăn mòn kim loại

Khóa luận tốt nghiệp

Hoàng Thị Thúy Nga


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện KH và Vật liệu

Hàng năm trên thế giới thiệt hại do ăn mòn kim loại và bê tông cốt
thép gây ra rất lớn. Riêng tổn thất do ăn mòn kim loại đã chiếm khoảng 4%
GDP của mỗi quốc gia. ở các nước thuộc khối EU, kinh phí chi cho chống ăn
mòn bê tông cốt thép chiếm 1/3 kinh phí chống ăn mòn cho các kết cấu và
công trình nói chung.
ở nước ta ăn mòn kim loại còn diễn ra mạnh hơn nhiều. Khí hậu vùng
biển Việt Nam là khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, mưa nhiều, có nhiệt độ thay đổi
liên tục trong ngày, lượng muối và các tác nhân xâm thực khá lớn. Đây là
những điều kiện thuận lợi cho sự ăn mòn, phá hủy các kết cấu, công trình thép
và bê tông cốt thép.
Các kết cấu kim loại khi làm việc đều bị tác động của các yếu tố khí

hậu như độ ẩm, nhiệt độ, thời gian lưu giữ trên bề mặt kim loại lớp màng ẩm
được hình thành khi nước ngưng tụ, sự thấm ướt bụi khí quyển bởi các hạt
nước biển chứa các tạp chất cơ học và hóa học.
Độ ẩm không khí là yếu tố ảnh hưởng rất mạnh đến tốc độ ăn mòn kim
loại. Khi độ ẩm tương đối thấp hơn độ ẩm tới hạn (70%), tốc độ ăn mòn kim
loại thấp. Đặc biệt khi có mặt các tác nhân ăn mòn như muối hoặc các phần tử
cơ học, độ ẩm tới hạn giảm xuống 50-60%. Khi độ ẩm tương đối của khí
quyển cao hơn độ ẩm tới hạn, sự ăn mòn kim loại xảy ra với tốc độ cao hơn rõ
rệt, vì trên kim loại pha nước được tạo thành.
Sự gia tăng mạnh tốc độ ăn mòn kim loại trong các vùng công nghiệp,
trên biển và ven biển liên quan đến không khí bị ô nhiễm do có chứa các
thành phần có tác dụng xâm thực cao như SO2 và NaCl đã tác động mạnh đến
sự phá hủy các thiết bị. Trên bề mặt kim loại trong khí quyển có các màng
nước khoáng nhẹ được tạo thành. Quá trình ăn mòn xảy ra cũng như trong

Khóa luận tốt nghiệp

Hoàng Thị Thúy Nga


Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện KH và Vật liệu

các chất điện ly mỏng. Sự ăn mòn kim loại được tăng cường khi trong khí
quyển chứa các muối clorua và các muối khác. Đặc biệt sự lắng đọng nhiều
trên bề mặt kim loại các muối clorua ở vùng ven biển. Theo nhiều tài liệu, rõ
ràng tốc độ ăn mòn kim loại trong các vùng khí hậu nhiệt đới cao hơn nhiều
so với tốc độ ăn mòn trong các vùng khí hậu ôn đới.
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 hóa. Để sự ăn mòn phản ứng oxi hóa
(sự hòa tan kim loại hoặc sự tạo thành oxit) và phản ứng khử (như phản ứng
khử ion hydro hoặc oxy) phải xảy ra đồng thời.
Các phản ứng điện hoá xảy ra ở anot và catot khi vắng mặt oxy là:
Anot: Fe  Fe2+ + 2eCatot: 2H2O  2H+ + 2OH2H+ + 2e-  H2
Nếu có mặt oxy (hoà tan trong nước), một phản ứng khác xảy ra ở catot:
O2 + 2H2O + 4e-  4OHPhản ứng tổng thể xảy ra suốt quá trình ăn mòn là:
2Fe + O2 + H2O  2Fe2+ + 4OHDo có mặt của oxy không khí, hydroxit sắt (II) bị biến thành gỉ sắt

Nước biển ( chất điện ly)
OHˉ

Fe2+
Fe

eˉ
Catot

Anot

Khóa luận tốt nghiệp

O2

Thép (Fe)

Hoàng Thị Thúy Nga

Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

Viện KH và Vật liệu

(Fe2O3.H2O):4Fe(OH)2 + 2O2 → 2Fe2O3.H2O + H2O
Nghiên cứu chế tạo các loại sơn để bảo vệ các kết cấu kim loại trong
môi trường có độ ẩm và xâm thực cao luôn là vấn đề được quan tâm. Có
nhiều phương pháp bảo vệ chống ăn mòn kim loại , song bảo vệ bằng lớp sơn
là phương pháp thông dụng, có hiệu quả và được sử dụng phổ biến.
1.2.2. Các phương pháp chống ăn mòn
Quá trình ăn mòn xảy ra là xu hướng tự nhiên của vật chất, đặc biệt ở
các kim loại sử dụng cho các kết cấu, thùng chứa, tàu thuỷ.... Vật liệu không
thể sử dụng lâu dài trong điều kiện xâm thực, khi ăn mòn kim loại xảy ra, kết
cấu bị phá huỷ. Các loại phá huỷ này cần được ngăn chặn. Vài phương pháp
bảo đảm duy trì khả năng tồn tại và khả năng sử dụng của các kết cấu với giá
thấp được chú ý như sau:


Lựa chọn và sử dụng các vật liệu chống ăn mòn cho các kết cấu.


Thay đổi môi trường.


Sử dụng các rào cản giữa vật liệu cấu trúc và môi trường.


Sử dụng phương pháp bảo vệ catot.


Sử dụng các kết cấu cho phép ăn mòn hoặc thiết kế dư.

Mỗi phương pháp có những ưu điểm, nhược điểm và được sử dụng
trong những lĩnh vực kinh tế nhất. Mỗi phương pháp có ưu việt riêng, do đó
sử dụng kết hợp các phương pháp có thể có hiệu quả hơn. Ví dụ một vài loại
thép không gỉ bởi ion clo từ các vết rỗ bề mặt, nếu sử dụng kết hợp chúng với
một lớp phủ chịu clo sẽ có hiệu quả chống ăn mòn hơn khi dùng riêng lẻ. Bảo
vệ catot thường kết hợp với các lớp phủ bảo vệ khác nhau để giảm chi phí của
dòng cưỡng bức hay giảm số anot hy sinh được sử dụng.

Khóa luận tốt nghiệp

Hoàng Thị Thúy Nga