Nghiên cứu chế tạo sơn lót epoxy đóng rắn trong điều kiện ẩm có chứa

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... 4
HỆ THỐNG DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................... 5
HỆ THỐNG DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................... 8
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT ................................................................... 9
MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 10
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN ....................................................................................... 14
I.

Ăn mòn kim loại và bảo vệ kim loại .................................................................... 14
I.1. Ăn mòn kim loại………………………………………………………………...14
I.2. Phân loại ăn mòn………………………………………………………………..15
I.3. Biện pháp bảo vệ chống ăn mòn………………………………………………...16

II. Sơn bảo vệ chống ăn mòn. ................................................................................... 20
II.1. Lịch sử phát triển sơn bảo vệ chống ăn mòn…………………………………...20
II.2. Sơn epoxy………………………………………………………………………21
1.

Nhựa epoxy ................................................................................................ 23

2.

Chất đóng rắn cho nhựa epoxy ................................................................... 26

II.3. Bột màu………………………………………………………………………...32
II.4. Bột độn…………………………………………………………………………39
II.5. Phụ gia………………………………………………………………………….39
1.

Phụ gia phân tán ......................................................................................... 39

2.

Chất chống sa lắng ..................................................................................... 42

II.6. Biến tính màng sơn epoxy bằng nanoclay……………………………………..43
1.

Giới thiệu chung về nanoclay ..................................................................... 44

2.

Các phƣơng pháp phân tán nanoclay vào trong nhựa epoxy ....................... 46

3.

Ảnh hƣởng của nanoclay vào trong nhựa epoxy ......................................... 48
1


II.7. Phƣơng pháp đo thế mạch hở đánh giá sự ăn mòn lớp phủ hữu cơ trên nền điện
kim loại. ..................................................................................................................... 53
CHƢƠNG II: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............. 55
II.1 Hóa chất .............................................................................................................. 55
II.2. Các phƣơng pháp nghiên cứu .............................................................................. 56
II.2.1. Khảo sát quá trình đóng rắn của nhựa epoxy ............................................. 56
II.2.2. Phƣơng pháp xác định độ nhớt của hệ sơn................................................. 57
II.2.3. Quá trình chế tạo mẫu sơn ......................................................................... 57
II.3. Các phƣơng pháp xác định tính chất cơ lý của màng sơn..................................... 57
II.3.1. Phƣơng pháp xác định độ bền va đập của màng sơn .................................. 57

II.3.2. Phƣơng pháp xác định độ bền uốn của màng sơn ...................................... 58
II.3.3. Phƣơng pháp xác định độ cứng tƣơng đối của màng sơn ........................... 59
II.3.4. Phƣơng pháp xác định độ bám dính của màng sơn .................................... 59
II.3.5. Phƣơng pháp xác định độ bền cào xƣớc của màng sơn .............................. 60
II.3.6. Phƣơng pháp xác định độ bền ép dãn của màng sơn .................................. 60
II.3.7. Độ thẩm thấu hơi nƣớc.............................................................................. 61
II.3.8. Phƣơng pháp phổ nhiễu xạ tia X ( XRD). .................................................. 62
II.3.9. Phƣơng pháp đo thế điện cực theo thời gian .............................................. 62
II.3.10. Phƣơng pháp thử nghiệm mù muối ................................................................. 63
CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 65
III.1. Khảo sát quá trình đóng rắn của nhựa epoxy Kingdom 1001 x 75 bằng chất
đóng rắn TN13 ở điều kiện độ ẩm cao………………………………………………65
III.2. Khảo sát ảnh hƣởng của phụ gia tới tính chất của màng sơn………………....67
III.2.1. Khảo sát ảnh hƣởng của phụ gia phân tán đến tính chất cơ lý của màng
sơn. ..................................................................................................................... 67
III.2.2. Khảo sát ảnh hƣởng phụ gia chống chảy đến tính chất cơ lý của màng sơn
............................................................................................................................ 68

2


III.2.3. Khảo sát ảnh hƣởng của phụ gia hóa dẻo đến tính chất cơ lý của màng sơn
............................................................................................................................ 70
III.3. Khảo sát ảnh hƣởng của bột độn đến tính chất cơ lý của màng sơn epoxy…...71
III.4. Khảo sát ảnh hƣởng của bột màu đến tính chất cơ lý của màng sơn với hệ bột
màu cromat kẽm – oxit sắt…………………………………………………………..72
III.5. Nghiên cứu ảnh hƣởng của phụ gia nano đến tính chất cơ lý của màng sơn….74
III.5.1. Khảo sát ảnh hƣởng hàm lƣợng nanoclay I30E đến tính chất cơ lý của
màng sơn ............................................................................................................. 75
III.5.2. Khảo sát ảnh hƣởng của kỹ thuật phân tán đến tính chất cơ lý của màng

sơn ...................................................................................................................... 77
III.5.3. Khảo sát cấu trúc và hình thái cấu trúc vật liệu epoxy nanocompozit ...... 78
III.7. Ảnh hƣởng của độ ẩm môi trƣờng đến tính chất cơ lý của màng sơn ................. 82
III.8. Đánh giá khả năng chống ăn mòn của màng sơn bằng phƣơng pháp thế điện cựu
theo thời gian.............................................................................................................. 85
III.9. Đánh giá khả năng chống ăn mòn của màng sơn bằng phƣơng pháp mù muối. .. 87
KẾT LUẬN ................................................................................................................ 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 91

3


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan những nội dung mà tác giả viết trong Luận văn này là do
sự tìm hiểu, nghiên cứu của bản thân, cùng với sự hƣớng dẫn tận tình của TS. Nguyễn
Phạm Duy Linh. Mọi số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chƣa từng
đƣợc ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác.Trừ các phần tham khảo đã đƣợc
trích dẫn nguồn gốc cụ thể trong Luận văn.
Hà Nội, tháng 6 năm 2015
Tác giả

Hà Thị Hà

4


HỆ THỐNG DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sơ đồ quá trình ăn mòn thép
Hình 1.2: Bịt kín bề mặt kim loại không cho tiếp xúc với môi trƣờng ăn mòn.
Hình 1.3: Cung cấp điện cực bảo vệ.

Hình 1.3: Cung cấp điện cực bảo vệ.
Hình 1.4: Phản ứng đóng rắn bằng amin.
Hình 1.5: Cơ chế đóng rắn nhựa epoxy bằng anhydryt axit.
Hình 1.6: Phản ứng khâu mạch epoxy.
Hình 1.7: Tổng trở điện cực thép phủ màng epoxy với bột màu ZnO.
Hình 1.8: Phổ tổng trở của các lớp sơn phosphat kẽm.
Hnh 1.9: Ảnh SEM mẫu khi ngâm trong môi trƣờng NaCl 3%.
Hình 1.10: Cơ chế chống ăn mòn của bột màu phosphat kẽm biến tính canxi.
Hình 1.11. Cấu trúc lý tƣởng của khoáng sét MMT.
Hình 1.12. Cấu trúc kết tụ của khoáng sét nanoclay.
Hình 1.13. Các dạng phân tán của nanoclay trong nhựa.
Hình 1.14. Các cấu trúc của khoáng sét trao đổi ion.
Hình 1.15: Khả năng chống ăn mòn màng sơn bằng phƣơng pháp đo điện trở.
Hình 1.16: Thử nghiệm phun mù muối.
Hình 1.17: Phân tán nano vào nhựa nền.

5


Hình 1.18. Sơ đồ của phép đo thế mạch hở.
Hình 2.1. Dụng cụ xác định độ bền va đập tải trọng rơi có thể điều chỉnh độ cao
ERICHSEN Model 304 ASTM phiên bản tiêu chuẩn.
Hình 2.2. Dụng cụ xác định độ bền uốn dạng gập với trục hình trụ ERICHSEN Model
266.
Hình 2.3. Dụng cụ xác định độ cứng tƣơng đối dựa theo dao động tắt dần của con lắc
ERICHSEN Model 299/300.
Hình 2.4. Dụng cụ xác định độ bền cào xƣớc ERICHSEN Model 239/I.
Hình 2.5. Dụng cụ xác định độ bền ép dãn ERICHSEN Model 200.
Hình 2.6. Sự phụ thuộc khối lƣợng hơi nƣớc thẩm thấu qua màng sơn theo thời gian.
Hình 2.7. Sơ đồ thiết bị đo thế điện cực theo thời gian.

Hình 3.1: Quá trình đóng rắn nhựa epoxy 1001 x 75 ở các hàm lƣợng chất đóng rắn TN
– 13 khác nhau.
Hình 3.2: Phổ XRD của nhựa epoxy 1001 x 75.
Hình 3.3: Phổ XRD của nanoclay I30E.
Hình 3.4: Phổ nhiễu xạ tia X của vật liệu compozit từ nhựa epoxy /3% nanoclay không
có hỗ trợ khuấy siêu âm.
Hình 3.5: Phổ nhiễu xạ tia X của vật liệu compozit từ nhựa epoxy /3% nanoclay I30 E
có hỗ trợ siêu âm.
Hình 3.6: Thế điện cực theo thời gian của các mẫu thép với các màng phủ khác nhau.

6


Hình 3.7 : Ảnh mẫu sơn chứa 3% nanoclay: (a) trƣớc khi thử nghiệm; (b) sau khi thử
nghiệm 24 giờ, (c) sau khi thử nghiệm 96 giờ, (d) sau khi thử nghiệm 360 giờ, ( e) sau
khi thử nghiệm 480 giờ.

7


HỆ THỐNG DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Ảnh hƣởng của hàm lƣợng chất đóng rắn TN13 tính chất của màng.
Bảng 3.2: Ảnh hƣởng của phụ gia phân tán texaphor đến tính chất cơ lý của màng sơn.
Bảng 3.3: Ảnh hƣởng của phụ gia chống chảy đến tính chất cơ lý của màng sơn.
Bảng 3.4: Ảnh hƣởng của phụ gia hóa dẻo DOP đến tính chất cơ lý của màng sơn.
Bảng 3.5: Ảnh hƣởng của hàm lƣợng bột talc đến tính chất cơ lý của màng sơn.
Bảng 3.6: Ảnh hƣởng của tỷ lệ bột màu cromat kẽm – oxit sắt đến tính chất cơ lý của
màng sơn.
Bảng 3.7: Ảnh hƣởng của nồng độ thể tích bột màu đến tính chất cơ lý của màng sơn.
Bảng 3.8: Ảnh hƣởng của hàm lƣợng nanoclay I30E đến tính chất cơ lý của màng sơn.

Bảng 3.9: Ảnh hƣởng của kỹ thuật phân tán đến tính chất cơ lý của màng sơn.
Bảng 3.10: Tính chất cơ lý của màng sơn epoxy nanoclay I30E với hệ bột màu cromat
kẽm – oxit sắt.
Bảng 3.12: Tính chất cơ lý của sơn lót epoxy ở các điều kiện độ ẩm tƣơng đôi khác
nhau.
Bảng 3.13: Kết quả đánh giá độ gỉ của mẫu sơn chứa 3% nanoclay theo tiêu chuẩn
ASTM D714 – 02.

8


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT
1. Giao thông vận tải

GTVT

2. Nồng độ thể tích

NĐTT

3. Hàm lƣợng nhóm epoxy

HLE

4. Đƣơng lƣợng nhóm epoxy

DLE

5. Giá trị epoxy

GTE

6. Phần khối lƣợng

PKL

7. Dioctyl phthalate

DOP

8. Scanning electron microscope

SEM

9. E

EIS

10. Pigment volume concentration

PVC

11. Dietylen triamin

DETA

12. montmorillonit

khoáng sét MMT

13. Cation-exchange capacity

CEC

14. Phổ nhiễm xạ tia X

XRD

9


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài

Ngành công nghệ vật liệu Polyme hiện nay đang ngày càng đƣợc phát triển rộng
rãi với nhiều ứng dụng trong tất cả các ngành công nghiệp cũng nhƣ đời sống xã hội.
Một trong những ứng dụng quan trọng của vật liệu polyme đó là ứng dụng trong ngành
công nghiệp sơn.
Với sự phát triển bùng nổ của xây dựng và công nghiệp, nhu cầu về sơn dân dụng
lẫn sơn công trình đều gia tăng từng năm. Việt Nam là một nƣớc có nền khí hậu nhiệt
đới ẩm gió mùa, do đó mà nhu cầu sơn bảo vệ càng cần thiết. Do điều kiện độ ẩm
không khí cao, nên việc nghiên cứu các vật liệu sơn trong các điều kiện ẩm ƣớt hết sức
quan trọng. Cùng với đó, những loại sơn này còn có thể sơn phủ bảo vệ các công trình
ngầm dƣới nƣớc, các đƣờng ống, sơn bảo vệ kim loại.
Chất tạo màng sơn phổ biến và quan trọng bậc nhất hiện nay đó là nhựa epoxy,
một loại nhựa đã đƣợc nghiên cứu từ rất lâu, có ứng dụng rộng khắp trong các ngành
công nghiệp. Việc đóng rắn epoxy để tạo màng sơn ở nhiệt độ thƣờng đóng vai trò
quyết định cho việc lựa chọn loại nhựa này làm chất tạo màng. Epoxy đóng rắn ở nhiệt
độ thƣờng, thƣờng sử dụng các chất đóng rắn polyamin mạch thẳng hoặc polyamit.
Tuy nhiên khi đóng rắn trong điều kiện độ ẩm cao thì phƣơng pháp trên lại không hiệu

quả vì polyamin rất nhạy cảm với độ ẩm, đặc biệt là khí CO2, các amin chuyển hóa
thành các muối cacbamat, làm sơn bị mờ đục và có độ bám dính kém trên bề mặt ẩm
ƣớt.
Một trong những phƣơng pháp tăng tính chất cơ lý và tính bảo vệ chống ăn mòn
là bổ xung phần tử nano vào màng sơn.
Cùng với xu hƣớng trên, công trình này “nghiên cứu chế tạo sơn lót epoxy đóng rắn
trong điều kiện ẩm có chứa phần tử nano” là cần thiết.
10


2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
2.1. Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn của sơn lót epoxy đóng rắn trong điều kiện
ẩm có chứa phần tử nano.
2.2. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hƣởng của phụ gia nanoclay I30E đến tính chất và khả năng
chống ăn mòn của màng sơn.
3. Mục đích của đề tài
-

Phƣơng pháp sơn là một trong những phƣơng pháp thông dụng nhất để bảo vệ
các chi tiết kim loại khỏi sự ăn mòn của môi trƣờng xâm thực. Ngoài việc sử
dụng bột màu chống khả năng ăn mòn, thời gian gần đây ngƣời ta đã sử dụng
thêm phần tử nano để tăng khả năng chống ăn mòn của màng sơn.

-

Để tăng cƣờng khả năng bảo vệ kim loại của màng phủ đã đƣa phần tử nano –
nanoclay I30E vào hệ sơn epoxy đóng rắn trong điều kiện ẩm. Khi có mặt của
nanoclay đã làm tăng đáng kể chiều dài con đƣờng của nƣớc và các ion xâm

thực vào bề mặt kim loại, nhờ đó mà chúng có ảnh hƣởng tích cực đến tính
chất bảo vệ của màng sơn.

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Nhựa epoxy là một trong những loại nhựa quan trọng nhất để sản xuất sơn
chống ăn mòn do nó có một loạt tính chất quý hiếm nhƣ sau: Có độ nhớt thấp, có khả
năng đóng rắn ở nhiệt độ phòng, có độ co ngót trong quá trình đóng rắn thấp, độ bền
cơ lý cao và đặc tính chống ăn mòn tốt.
Việc lựa chọn và phối hợp một cách thích hợp chất tạo màng epoxy với bột
màu, bột độn phụ gia và phụ gia nano sẽ dẫn tới sự tạo thành màng sơn với tính năng
bảo vệ chống ăn mòn cao.

11


Các công trình đã công bố thƣờng không nêu rõ hàm lƣợng cụ thể các chất trong
thành phần sơn chống ăn mòn epoxy do đó việc “nghiên cứu chế tạo sơn lót epoxy
đóng rắn trong điều kiện ẩm có chứa phần tử nano” là cần thiết.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Luận văn đã nghiên cứu:
-

Khảo sát hàm lƣợng chất đóng rắn tối ƣu cho loại nhựa epoxy đã lựa chọn.

-

Khảo sát ảnh hƣởng của hàm lƣợng bột màu, bột độn và phụ gia đến tính chất
cơ lý của màng sơn.

-

Khảo sát ảnh hƣởng của phụ gia nanoclay I30E đến tính chất cơ lý của màng
sơn từ đó tìm ra đƣợc hàm lƣợng tối ƣu cho màng sơn có tính chất tốt.

-

Khảo sát ảnh hƣởng của môi trƣờng ẩm đến tính chất của màng sơn từ đó tìm
ra đƣợc chất đóng rắn phù hợp với từng môi trƣờng ẩm khác nhau.

-

Đánh giá khả năng chống ăn mòn của màng sơn tối ƣu trên cơ sở nhựa epoxy
thông qua phƣơng pháp điện hóa và mù muối.

6. Cấu trúc của luận văn
Luận văn gồm có ba phần: phần mở đầu, phần nội dung, phần kết luận. Trong
đó phần nội dung gồm bốn chƣơng.
Chƣơng I: Tổng quan
Chƣơng II: Các phƣơng pháp nghiên cứu
Chƣơng III: Kết quả và thảo luận
Trong quá trình xây dựng đề tài này, tác giả nhận đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình và
quan tâm giúp đỡ của các thầy cô giảng dạy tại Trung tâm Polyme ,Viện kỹ thuật Hóa
Học trƣờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội.

12


Luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả mong nhận đƣợc sự quan
tâm góp ý của tất cả các thầy, cô giáo và các đồng nghiệp để sau này khi có điều kiện
nghiên cứu sâu hơn tác giả có thể giải quyết tốt và hoàn thiện hơn.

Đề tài đƣợc hoàn thành tại Trung tâm Polyme ,Viện kỹ thuật Hóa Học trƣờng
Đại Học Bách Khoa Hà Nội dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của TS.Nguyễn Phạm Duy
Linh. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành cảm ơn tới TS. Nguyễn
Phạm Duy Linh ngƣời đã cung cấp tài liệu và hƣớng dẫn phƣơng pháp nghiên cứu
trong quá trình thực hiện đề tài.Tác giả chân thành cám ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện
của các thầy cô và đồng nghiệp Trung tâm Polyme.

13


CHƢƠNG I: TỔNG QUAN
I. Ăn mòn kim loại và bảo vệ kim loại
I.1. Ăn mòn kim loại
Sự ăn mòn kim loại là quá trình làm giảm chất lƣợng và tính chất của kim loại
do sự tƣơng tác của chúng với môi trƣờng xâm thực. Ăn mòn kim loại là một phản ứng
không thuận nghịch, xảy ra trên bề mặt giới hạn giữa vật liệu kim loại và môi trƣờng
xâm thực, đƣợc gắn liền với việc mất mát hay tạo ra trên bề mặt kim loại một thành
phần nào đó do môi trƣờng cung cấp.
Nếu xem hiện tƣợng ăn mòn kim loại xảy ra theo cơ chế điện hóa thì sự ăn mòn
kim loại có thể đƣợc định nghĩa nhƣ sau: Ăn mòn kim loại là một quá trình xảy ra phản
ứng oxi hóa khử trên mặt tiếp xúc giữa kim loại và môi trƣờng chất điện li với sự
chuyển kim loại thành ion kim loại, đồng tời kèm theo sự khử một thành phần của môi
trƣờng và sinh ra một dòng điện.
Do cấu trúc kim loại không đồng nhất, nên khi có mặt nƣớc và oxy thì 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 (nhƣ 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

14


Có tể nói rằng sự ăn mòn phá hủy kim loại do môi trƣờng gây ra phụ thuộc vào
rất nhiều yếu tố:
- Thành phần hóa học, cấu trúc kim loại
- Thành phần hóa học của môi trƣờng.
- Các thông số vật lý – nhiệt độ, sự đối lƣu, sự phát xạ ...
- Những tác động cơ học – sự va đập, ma sát, ứng lực .... [34]
Sơ đồ quá trình ăn mòn thép đƣợc đƣa ra trong hình 1.1.

Hình 1.1: Sơ đồ quá trình ăn mòn thép
I.2. Phân loại ăn mòn
 Theo cơ chế quá trình ăn mòn [27, 38, 42]:

 Ăn mòn hóa học
 Ăn mòn điện hóa
 Theo điều kiện của quá trình ăn mòn:
 Ăn mòn khí
 Ăn mòn khí quyển
 Ăn mòn trong chất điện giải

15


 Ăn mòn trong đất
 Ăn mòn do dòng điện ngoài
 Ăn mòn do tiếp xúc (ăn mòn galvanic)
 Ăn mòn do ứng suất
 Ăn mòn do vi sinh vật
 Theo đặc trƣng của dạng ăn mòn [27, 38, 42]:
 Ăn mòn đều (thép các bon trong dung dịch axit sunphuaric)
 Ăn mòn không đều (thép các bon trong nƣớc biển)
 Ăn mòn chon lựa (chỉ một pha bị phá hủy ví dụn gang trong axit)
 Ăn mòn vết, tạo thành những vết dài trên bề mặt (đồng thau trong nƣớc
biển).
 Ăn mòn hố (ăn mòn trong đất).
 Ăn mòn điểm, đƣờng từ 0.1 – 2 mm (thép không gỉ trong nƣớc biển)
 Ăn mòn dƣới bề mặt
 Ăn mòn giữa các tinh thể (thép crom ở 5000C – 8000C)
 Ăn mòn nứt, do tác động đồng thời giữa ăn mòn và cơ học (ăn mòn cánh
tuốc bin tàu thủy).
Đề tài này nghiên cứu hiện tƣợng ăn mòn điện hóa, điên cực anốt hy sinh là các
hạt Zn, chất nền kim loại (là kết cấu thép cần chống ăn mòn) đóng vai trò là điện cực
catốt sẽ đƣợc bảo vệ.

I.3. Biện pháp bảo vệ chống ăn mòn
Ăn mòn kim loại là một quá trình điện hoá. Bởi vậy có thể ngăn cản ăn mòn kim
loại bằng cách ngăn chặn các phản ứng catot hoặc anot, hoặc bằng cách ngăn cản dòng
ăn mòn trong chất điện phân. Ba phƣơng pháp này đƣợc gọi là ức chế catot, ức chế
anot và ức chế điện trở [23].

16


 Trong phản ứng catot tác nhân phản ứng là oxy và nƣớc. Thực nghiệm chứng tỏ
rằng các màng sơn có độ dày bình thƣờng không thể ngăn cản hoàn toàn oxy và
nƣớc 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 lƣu 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 đƣợc 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, nhƣ sơn giàu kẽm.



Sắt ở ngoài không khí thƣờng 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 nhƣ oxyt sắt, oxyt chì, oxyt kẽm ...
và nhóm thứ hai là các bột màu có khả năng thụ động nhƣ bột cromat,
photphat và molybdat.



Ức chế điện trở là cơ chế bảo vệ chung nhất đƣợc 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 đƣợc ngăn cản hoặc ít nhất cũng giảm xuống giá trị thấp.
Nói chung các tính chất bảo vệ của màng sơn đƣợc 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 [16, 38].

17


Thông thƣờng 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 trƣờng 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 tƣởng
có các tính chất sau :
- Thích hợp với phƣơng pháp và điều kiện sơn.
- 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 xƣớc và va đập cao.
- Đủ mềm dẻo để thích hợp với sự thay đổi kích thƣớc 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 lƣợng bột màu phải đủ.
- Mức độ thẩm thấu nƣớc và oxy thấp.
Sơn trung gian là loại sơn chứa lƣợng bột màu, chất độn cao, chúng đƣợc 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:
- Bám dính tốt với sơn lót
- Độ che phủ thích hợp
- Tính chất chảy và san phẳng tốt, không để lại vết chổi sau khi màng sơn khô.

18


- Khả năng se kết tƣơng đối nhanh để tránh hiện tƣơng chảy và tràn đầy ở các mép
cạnh, song vẫn đảm bảo thuận lợi khi thi công.
- Màu sắc phải tƣơng tự và nhạt màu hơn lớp sơn phủ bên ngoài.
Lớp sơn phủ chịu tác dụng trực tiếp của môi trƣờng ăn mòn. Tuỳ theo bản chất
môi trƣờng ăn mòn và loại sơn lót hoặc loại sơn trung gian sử dụng, ngƣời ta lựa chọn
loại sơn phủ thích hợp. Màng sơn phủ phải bám dính tốt với sơn lót hoặc sơn trung
gian, bền trong môi trƣờng 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[16].
Cơ chế quá trình chống ăn mòn đƣợc miêu tả trong hình 1.2 [21]:

Hình 1.2: Bịt kín bề mặt kim loại không cho tiếp xúc với môi trường ăn mòn.
Và cơ chế chống ăn mòn dƣới màng phủ cần cung cấp điện cực bảo vệ:

19

Hình 1.3: Cung cấp điện cực bảo vệ.
II. Sơn bảo vệ chống ăn mòn.
II.1. Lịch sử phát triển sơn bảo vệ chống ăn mòn
Năm 427 – 347 trƣớc Công nguyên, nghiên cứu đầu tiên của Plato đã miêu tả về
sự ăn mòn do sự gỉ của kim loại. 2000 năm sau, nghiên cứu của nhà địa chất học
Georgius Agricola trong ấn phẩm “De natura fossilium” đã giải thích chi tiết về sự ăn
mòn của kim loại sắt [7, 8]. Ông cho rằng nó có thể đƣợc bảo vệ chống lại các ảnh
hƣởng của môi trƣờng ăn mòn bằng các biện pháp bao phủ bằng các chất nhƣ: chì đỏ,
chì trắng, thạch cao, bitum hoặc vữa. Gaius Secundus Pliny cũng đƣa ra một số chất có
khả năng bảo vệ kim loại thép, hợp kim đồng đỏ chống lại sự ăn mòn gồm: bitum, dầu
hắc in, chì trắng và thạch cao. Ông đã gửi báo cáo nghiên cứu của mình tới Alexander
để thực hiện các biện pháp chống gỉ khi xây dựng cầu phao tại Zeugmar, Eupharates.
Cùng với các phát hiện nghiên cứu chống ăn mòn bằng các vật liệu nhƣ kim loại
chì, thạch cao, bitum, dầu hắc ín…từ thế kỷ XIX, con ngƣời đã phát hiện ra biện pháp
chống ăn mòn kim loại bằng vật liệu sơn. Năm 1822, lần đầu tiên báo cáo khoa học về

20


biện pháp chống ăn mòn sử dụng vật liệu sơn đƣợc đăng trên tạp chí Dinglers
Polytechnischem Jounal [39].
Những thập niên tiếp theo, sơn từ nhựa hữu cơ tổng hợp đã đƣợc sử dụng rất rộng
rãi để bảo vệ các bộ phận kim loại - chống lại sự ăn mòn và sự khắc nghiệt của môi
trƣờng. Xét theo cơ chế bảo vệ ăn mòn, hiện tại có 3 loại sơn hữu cơ đƣợc sử dụng để
bảo vệ kim loại [6]: Sơn hoạt động điện hóa học, sơn hiệu ứng màng ngăn barrier, sơn
bị ăn mòn (hy sinh).
II.2. Sơn epoxy
. Sơn epoxy thƣờng đƣợc cung cấp dƣới các dạng sau:
 Sơn dung môi truyền thống: Chứa hàm lƣợng rắn dƣới 60% thể tích, ƣu điểm
là sử dụng đƣợc những thiết bị gia công có sẵn, sơn khô và đóng rắn nhanh ở

nhiệt độ thƣờng, cho lớp màng phủ có tính chất tốt, tuy nhiên yêu cầu sử dụng
nhiều dung môi nên không thân thiện với môi trƣờng.
 Sơn dung môi có hàm lƣợng rắn cao: Chứa hàm lƣợng rắn 60 - 85% thể tích,
chủ yếu sử dụng nhựa epoxy khối lƣợng phân tử thấp, ƣu điểm nổi bật là khả
năng tạo màng phủ tốt, tuy nhiên cần phải sử dụng các biện pháp làm giảm độ
nhớt của sơn.
 Sơn nhũ tƣơng: Sử dụng nhựa epoxy khối lƣợng phân tử thấp phân tán trong
nƣớc, có độ nhớt thấp, không độc hại nhƣng giá thành cao, đóng rắn chậm
trong điều kiện nhiệt độ thƣờng và độ ẩm cao, dễ bị chảy nhanh bất thƣờng và
yêu cầu thiết bị gia công bằng thép không gỉ đắt tiền.
 Sơn không dung môi: Sử dụng nhựa epoxy có khối lƣợng phân tử và độ nhớt
thấp, ƣu điểm là giá thành thấp, thân thiện hơn với môi trƣờng, lớp màng tạo
thành ít khuyết tật với khả năng chịu nhiệt, chịu hóa chất tốt. Nhƣợc điểm cơ

21


bản của chúng là độ nhớt cao, khó tạo thành các lớp màng mỏng, màng phủ có
tính nhạy ẩm, chịu va đập kém, kém mềm dẻo và thời gian lƣu ngắn.
 Sơn bột: Sử dụng nhựa epoxy rắn hoặc nhựa epoxy đóng rắn bằng nhóm
hydroxyl, sản phẩm có độ bám dính tốt, khả năng chịu hóa chất, ăn mòn và ma
sát tốt. Sơn epoxy bột đóng rắn ở điều kiện nhiệt độ khoảng 150oC, cho lớp
màng từ mỏng (30 – 40 μm) tới dày (50 - 150 μm) với độ bao phủ tốt và khả
năng thu hồi lƣợng vật liệu dƣ cao.
Do những tính chất đặc biệt cũng nhƣ khả năng sử dụng đa dạng, sơn epoxy đƣợc
sử dụng trong nhiều lĩnh vực trong đó nổi bật là:
 Sơn hàng hải và sơn thiết bị công nghiệp: Khả năng chịu hóa chất, chịu ăn mòn
và chịu ma sát tốt của màng phủ epoxy đã khiến cho sơn epoxy đƣợc sử dụng
rộng rãi trong lĩnh vực hàng hải và thiết bị công nghiệp do giúp kéo dài thời
gian giữa các lần bảo trì, tiết kiệm không nhỏ chi phí và thời gian. Nhƣợc điểm

chính của sơn loại này là khả năng chịu thời tiết không cao, do đó cần có các
phƣơng pháp để bảo vệ lớp sơn chống lại tác động tiêu cực từ thời tiết.
 Sơn kim loại: Dùng để sơn lên kim loại trong nhiều thiết bị dân dụng cũng nhƣ
các chai, hộp đựng thực phẩm và đồ uống, chủ yếu sử dụng epoxy khối lƣợng
phân tử trung bình và chất đóng rắn oligome - polyme do yêu cầu khả năng
chịu hóa chất, dung môi, nhiệt và ăn mòn cao, bám dính tốt lên bề mặt kim
loại, độ mềm dẻo cao mà lại không gây ảnh hƣởng tới những thứ chứa bên
trong nhƣ thực phẩm hay nƣớc uống.
 Sơn xe hơi: Chủ yếu đƣợc sử dụng làm sơn lót hoặc sơn bên nội thất do khả
năng chịu tia UV kém.

22


Cũng giống nhƣ các loại sơn truyền thống hai thành phần khác, sơn epoxy là một
hệ nhiều cấu tử bao gồm chất tạo màng, chất đóng rắn, các loại bột màu, bột độn, dung
môi và phụ gia [19, 20].
1. Nhựa epoxy
Nhựa epoxy là một nhóm các hợp chất cao phân tử có chứa nhiều hơn một nhóm
chức epoxy trên mạch đại phân tử. Ngoài tên epoxy, nhóm thế này còn có các tên gọi
khác nhƣ nhóm epoxit, nhóm oxiran hay nhóm ethoxylin. Nhóm epoxy là một nhóm
thế có độ hoạt động hóa học rất cao mà nguyên nhân là do sức căng lớn của liên kết
vòng ba cạnh cũng nhƣ độ phân cực của liên kết C–O cộng hóa trị:

Một cách chặt chẽ, nhựa epoxy chỉ đƣợc dùng để chỉ các oligome hay các
monome chứa các nhóm epoxy chƣa khâu mạch. Tuy nhiên, trên thực tế, nhựa epoxy
còn đƣợc dùng để chỉ các hệ epoxy đã đóng rắn, là các hệ bao gồm các đại phân tử có
phân tử có phân tử khối lớn, chứa rất ít hoặc hoàn toàn không chứa nhóm epoxy.
Đa phần các loại nhựa epoxy thƣơng phẩm đều đƣợc tổng hợp từ phản ứng cộng
hợp tách loại hydro clorua giữa epiclohydrin với một hợp chất chứa ít nhất hai nguyên

tử hydro linh động. Các sản phẩm nhựa epoxy tổng hợp từ epiclohydrin còn đƣợc gọi
là các loại nhựa epoxy nhóm glycidyl. Monome cùng tham gia phản ứng với
epiclohydrin có thể là các amino phenol, các monoamin và diamin, các imit và amit dị
vòng, các diol và polyol mạch thẳng, các axit béo không no, các hợp chất đa nhân
phenol...

23


Trong số những loại nhựa epoxy đƣợc tổng hợp bằng phƣơng pháp trên, nhựa
epoxy của bisphenol A đƣợc sử dụng rộng rãi nhất, chiếm tới hơn 75% thị phần nhựa
epoxy do giá cả phải chăng và tính chất đáp ứng tốt các yêu cầu sử dụng.

Bên cạnh đó, nhựa epoxy còn có thể đƣợc tổng hợp thông qua phản ứng epoxy
hóa các hợp chất dien sử dụng các loại peraxit.

Nhựa epoxy khi chƣa đóng rắn là một loại nhựa nhiệt dẻo không màu hoặc màu
vàng sáng. Tuỳ thuộc vào khối lƣợng phân tử mà nhựa epoxy chƣa đóng rắn có thể tồn
tại ở các dạng lỏng ít nhớt, lỏng nhớt hoặc rắn. Nhựa epoxy có khả năng hòa tan tốt
trong nhiều loại dung môi hữu cơ nhƣ axeton, toluen, xylen, các loại hydrocacbon clo
hoá, dioxan… nhƣng không hòa tan trong các loại hydrocacbon mạch thẳng nhƣ xăng
hay dung môi Stoddard.

24


Do chứa nhóm chức epoxy phân cực mạnh nên nhựa epoxy có khả năng phối trộn
tốt với các loại nhựa chứa nhóm chức phân cực khác nhƣ nhựa polyeste, nhựa phenol fomandehyt, nhựa polysunfit…
Các thông số quan trọng của nhựa epoxy
-

Hàm lƣợng nhóm epoxy ( HLE) : Trọng lƣợng nhóm epoxy có trong 100g nhựa.

-

Đƣơng lƣợng nhóm epoxy (DLE): Lƣợng nhựa tính theo gam chứa 1 đƣơng

lƣợng oxy epoxy.
-

Giá trị epoxy (GTE): Số đƣơng lƣợng oxy epoxy có trong 100g nhựa.
Hàm lƣợng oxy epoxy
GTE =
16

HLE.16
Hàm lƣợng oxy epoxy =
43
-

Quan hệ giữa các thông số:
DLE=

-

100
GTE

HLE =

100.43
DLE

Khối lƣợng phân tử nhóm epoxy : 43
Nhựa epoxy có độ cứng, tuổi thọ, độ bền hoá học, cơ học cao, khả năng chịu

nhiệt độ cao tốt hơn nhiều loại nhựa nhiệt rắn khác nên đƣợc ứng dụng trong các loại
sơn, màng phủ chất lƣợng cao, keo dán, lót trong các loại bể chứa, tàu thuyền, làm
bảng điện… Nhựa epoxy sau khi đóng rắn có nhiều đặc tính tốt nổi bật nhƣ: khả năng
bám dính tốt với nhiều loại vật liệu, bền hoá học, bền cơ học, độ bền nhiệt, cách điện
cao. Tính chất của sản phẩm epoxy phụ thuộc vào việc sử dụng chất đóng rắn, do đó
việc lựa chọn chất đóng rắn cho nhựa epoxy cần phải giải quyết tuỳ theo từng trƣờng
hợp cụ thể [33].

25