Nghiên cứu chế tạo lớp phủ chống ăn mòn trên cơ sở kẽmnhômphốt phát

NGUYỄN VĂN MẠNH

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

NGUYỄN VĂN MẠNH

KỸ THUẬT HOÁ HỌC

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHỦ CHỐNG ĂN MÒN TRÊN
CƠ SỞ KẼM/NHÔM/PHỐTPHÁT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Chuyên ngành: Kỹ thuật Hoá học
 

KHÓA 2009 - 2011

HÀ NỘI – 2011


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

NGUYỄN VĂN MẠNH

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHỦ CHỐNG ĂN MÒN TRÊN
CƠ SỞ KẼM/NHÔM/PHỐTPHÁT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT HOÁ HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT HÓA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. LÊ XUÂN THÀNH

HÀ NỘI – 2011


Luận văn thạc sĩ khoa học

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 6
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN ........................................................................... 8
1.1 - GIỚI THIỆU VỀ ĂN MÒN KIM LOẠI ............................................. 8
1.1.1 - Định nghĩa về ăn mòn kim loại ..................................................... 8
1.1.2 - Phân loại ........................................................................................ 8
∗ Phân loại theo đặc trưng phá huỷ ...................................................... 8

∗ Phân loại theo cơ chế ăn mòn............................................................ 8

1.1.3 - Hiện tượng thụ động kim loại........................................................ 9
1.1.4 - Bảo vệ kim loại chống ăn mòn ................................................... 10
1.2. LỚP PHỦ VÔ CƠ................................................................................ 11
1.2.1. Thành phần hoá học, tác dụng của oxit được sử dụng trong chế tạo
lớp phủ vô cơ........................................................................................... 11
1.2.2. Tác dụng của muối phốt phát trong sơn bảo vệ chống ăn mòn. ... 12
1.2.3. Chế tạo sơn chống ăn mòn trên cơ sở bột màu photphat .............. 12
1.2.3.1. Vai trò và ứng dụng của lớp sơn phủ trong chống ăn mòn kim
loại....................................................................................................... 12

1.2.3.2. Các thành phần của sơn......................................................... 13
1.2.4. Phốt phát hoá bề mặt thép CT3..................................................... 16
1.2.4.1 Phốt phát hóa nóng:................................................................ 16
1.2.4.2. Phốt phát hóa lạnh................................................................. 19
1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO, KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ. ...................... 20
1.3.1 – Khả năng chịu ăn mòn của lớp phủ............................................. 20
1.3.2. Xác định các tính chất cơ, lí của lớp phủ......................................... 21
1.3.2.1. Tỉ khối, độ xốp ......................................................................... 21
1.3.2.2. Độ bền bám dính ..................................................................... 23
1.3.3. Đo điện hóa .................................................................................... 24

Nguyễn Văn Mạnh

1

Lớp: Kỹ thuật hoá học 2009


Luận văn thạc sĩ khoa học

CHƯƠNG II. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ................................... 26
2.1 . ĐIỀU CHẾ BỘT MÀU KẼM VÀ KẼM NHÔM PHỐT PHÁT........ 26
2.1.1.Thiết bị và hóa chất ........................................................................ 26
2.1.2. §iÒu chÕ Zn3(PO4)2....................................................................... 26
2.1.3.2. §iÒu chÕ chÊt mµu kÏm photphat pha t¹p bìi nh«m d¹ng
Zn3-xAl2x/3(PO4)2 (x=1): ........................................................................ 26
2.2. PHỐT PHÁT HOÁ BỀ MẶT THÉP CT3 ........................................... 27
2.2.1. Mục đích: ...................................................................................... 27
2.2.2 Quy trình tiến hành phốt phát hoá: ................................................ 27
2.3. CHẾ TẠO LỚP SƠN PHỦ CHỐNG ĂN MÒN TRÊN NỀN THÉP

CT3.............................................................................................................. 28
2.3.1. Cơ sở của phương pháp................................................................. 28
2.3.2. Dụng cụ, vật liệu và hóa chất........................................................ 28
2.3.3. Sơ đồ chế tạo sơn .......................................................................... 29
2.3.4. Chuẩn bị bề mặt mẫu thép............................................................. 29
2.3.5. Qui trình sơn phủ trên nền thép .................................................... 30
2.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỐNG ĂN MÒN
CỦA LỚP PHỦ........................................................................................... 31
2.4.1. Phương pháp ngâm nhúng ............................................................ 31
2.4.2. Đo tính năng cơ lí của màng sơn .................................................. 31
CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................ 34
3.1 TỔNG HỢP KẼM VÀ KẼM NHÔM PHỐT PHÁT.......................... 34
3.1.1. Tổng hợp Zn3(PO4)2 ...................................................................... 34
3.1.2. Tổng hợp chất màu kẽm phot phat pha tạp bỡi nhôm dạng Zn3Al2x/3(PO4)2 víi x= 1 .............................................................................. 35

x

3.2. PHỐT PHÁT HOÁ BỀ MẶT THÉP CT3 ........................................ 37
3.2.1 Dạng bề mặt kim loại sau photphat hóa......................................... 37

Nguyễn Văn Mạnh

2

Lớp: Kỹ thuật hoá học 2009


Luận văn thạc sĩ khoa học

3.2.2 Hình thái và thành phần hóa học của lớp phủ phot phát hóa........ 38

3.3 . ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHỐNG ĂN MÒN CỦA LỚP PHOT PHAT HÓA ...... 40
3.4. CHẾ TẠO SƠN PHỦ VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH CHỐNG ĂN
MÒN............................................................................................................ 42
3.4.1 Đánh giá độ chống ăn mòn của chất màu kẽm phophat hay kẽm
nhôm phot phat không và có bổ sung các chất tạo màu khác................. 42
3.4.1.1 Theo cảm quan ........................................................................ 42
3.4.1.2 Theo độ giảm khối lượng ........................................................ 45
3.4.1.3 Theo độ bám dính, độ bền va đập của màng sơn.................... 50
KẾT LUẬN .................................................................................................... 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 52

Nguyễn Văn Mạnh

3

Lớp: Kỹ thuật hoá học 2009


Luận văn thạc sĩ khoa học

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn này đã được hoàn thành với các số liệu
thực nghiệm trung thực. Các kết quả này chưa được công bố ở bất kỳ một tài
liệu nào. Nếu có gì sai trái em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với Bộ môn
Công nghệ Vô cơ & phân khoáng và trước Nhà trường.

Nguyễn Văn Mạnh

Nguyễn Văn Mạnh

4

Lớp: Kỹ thuật hoá học 2009


Lun vn thc s khoa hc

Lời cám ơn
Sau một thời gian làm việc với sự cố gắng của bản thân và đợc sự
giúp đỡ của các thầy cô giáo, bạn bè đồng nghiệp, đến nay em đã hoàn
thành bản luận văn của mình.
Trớc hết, em xin trân trọng cám ơn thầy giáo PGS.TS Lê Xuân
Thanh đã trực tiếp chỉ bảo hớng dẫn cho em trong suốt thời gian làm
luận văn.
Em cũng xin chân thành cám ơn các thầy cô giáo trong bộ môn
Công nghệ Vô cơ & phân khoáng - Trờng Đại học Bách khoa Hà
Nội đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ em trong quá trình làm luận văn.
Nhân dịp này, em xin gửi lời cám ơn đến những nguời thân và
bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ động viên em trong thời gian vừa qua.
Trong quá trình thực hiện luận văn, do nhiều yếu tố nên bản luận
văn không tránh khỏi những thiếu sót. Đây là đề tài còn nhiều hớng
khai thác, sau này nếu tiếp tục học lên bậc cao hơn em mong rằng sẽ
tiếp tục đợc nghiên cứu sâu để góp một phần nhỏ bé của mình vào lĩnh
vực khoa hoc công nghệ của nứơc nhà.
Em xin chân thành cám ơn!
Hà Nội, ngày 15 tháng 09 năm 2011
Học viên thực hiện
Nguyễn V n Manh

Nguyn Vn Mnh

5

Lp: K thut hoỏ hc 2009


Luận văn thạc sĩ khoa học

MỞ ĐẦU
Ăn mòn kim loại là hiện tượng phổ biến trong tự nhiên, gây ra
những tổn thất lớn về kinh tế. Tổn thất do ăn mòn gây ra có nhiều dạng: dạng
không thể phục hồi, dạng có thể phục hồi sửa chữa. Tuy nhiên, dù diễn ra ở
hình thức nào thì thiệt hại do ăn mòn gây ra và chi phí để khắc phục những
hậu quả của nó cũng là rất lớn.
Trong những năm gần đây, ở nước ta cũng như trên thế giới, vấn đề
ăn mòn được quan tâm một cách đặc biệt. Cùng với xu thế phát triển chung
của các quốc gia trên thế giới, Việt Nam đang đẩy mạnh quá trình công
nghiệp hóa, hiện đại hóa với tốc độ khá cao, từng bước xây dựng cơ sở vật
chất – kỹ thuật hiện đại của chủ nghĩa xã hội, với các trang thiết bị và máy
móc chủ yếu là nhập ngoại. Trong điều kiện làm việc ở các nhà máy, đặc biệt
là các ngành công nghiệp nặng, các chi tiết máy phải làm trong điều kiện khí
hậu khắc nghiệt (độ ẩm cao, nhiệt độ cao, môi trường bụi, hóa chất,…) dẫn
đến các hiện tượng mài mòn, ăn mòn và cuối cùng là bị phá hủy. Như vậy,
một vấn đề cấp bách đặt ra là bảo vệ chống ăn mòn đối với các chi tiết, thiết
bị làm việc trong các môi trường khắc nghiệt này. Trong điều kiện khắc
nghiệt, để nâng cao tuổi thọ của các chi tiết máy thì ưu tiên hàng đầu là sử
dụng thép hợp kim có độ bền cao. Tuy nhiên, giá thành của các vật liệu này là
rất cao và không kinh tế trong sản xuất. Do đó, cách giải quyết tốt hơn là tạo
hệ lớp phủ trên nền thép thông dụng; lớp phủ này có khả năng làm việc trong
các điều kiện đặt ra (mài mòn, ăn mòn, hóa chất, nhiệt độ,…).

Lớp phủ kim loại là một trong những phương pháp bảo vệ chống ăn
mòn được tập trung nghiên cứu và sử dụng khá phổ biến ở nước ta hiện nay.
Có nhiều phương pháp tạo ra lớp phủ kim loại: mạ điện, nhúng nóng, phun
phủ,… Trong các phương pháp này, phương pháp sơn phủ được sử dụng khá
rộng rãi do những ưu điểm và hiệu quả kinh tế do nó đem lại.
Nguyễn Văn Mạnh

6

Lớp: Kỹ thuật hoá học 2009


Luận văn thạc sĩ khoa học

Với hi vọng góp phần đưa ra giải pháp để bảo vệ, nâng cao tuổi thọ
của các chi tiết máy làm việc trong các môi trường hóa chất mang tính axit,
các chi tiết chịu mài mòn, ăn mòn được sử dụng nhiều trong công nghiệp. Đề
tài em nghiên cứu là :”Nghiên cứu chế tạo lớp phủ chống ăn mòn trên cơ sở
Zn/Al phốt phát”
Mục đích nghiên cứu của đề tài:
Chế tạo thành công lớp phủ chống ăn mòn trên cơ sở Zn/Al phốt
phát”
Nhiệm vụ đề tài :
+ Tổng hợp và xác định đặc tính bột màu chống ăn mòn kẽm và kẽm
photphat pha tạp bởi nhôm.
+ Nghiên cứu tạo lớp phủ phốt phát hoá bề mặt kim loại đen (thép CT3).
+ Nghiên cứu đặc tính chống ăn mòn của lớp phủ phốt phát hoá và màng
sơn trên cơ sở các chất màu tổng hợp được.
.

Nguyễn Văn Mạnh

7

Lớp: Kỹ thuật hoá học 2009


Luận văn thạc sĩ khoa học

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN
1.1 - GIỚI THIỆU VỀ ĂN MÒN KIM LOẠI
1.1.1 - Định nghĩa về ăn mòn kim loại
Ăn mòn kim loại là quá trình phá huỷ kim loại do các tác nhân hóa học
của môi trường hoặc tác dụng điện hóa giữa kim loại và môi trường gây ra.
Quá trình ăn mòn kim loại bị ảnh hưởng rất lớn bởi cấu tạo của kim loại.

1.1.2 - Phân loại
Người ta phân loại ăn mòn kim loại theo nhiều cách khác nhau phụ thuộc
vào môi trường, dạng và cơ chế ăn mòn.
∗ Phân loại theo môi trường

- Ăn mòn trong khí: oxy, khí sunfuarơ, khí H2S,...
- Ăn mòn trong không khí: ăn mòn trong không khí ướt, ăn mòn trong
không khí ẩm, ăn mòn trong không khí khô.
- Ăn mòn trong đất.
- Ăn mòn trong chất lỏng: kiềm, axit, muối,...
∗ Phân loại theo đặc trưng phá huỷ

Dựa vào đặc trưng của sự phá huỷ do ăn mòn, người ta phân loại theo
hai dạng: ăn mòn rộng khắp và ăn mòn cục bộ.

∗ Phân loại theo cơ chế ăn mòn

Nguyễn Văn Mạnh

8

Lớp: Kỹ thuật hoá học 2009


Luận văn thạc sĩ khoa học

Theo nghĩa tương đối, sự phá huỷ kim loại do tác nhân hóa học của môi
trường gây ăn mòn diễn ra theo hai cơ chế: ăn mòn điện hóa và ăn mòn hóa
học, trong đó ăn mòn vi sinh được coi là một dạng ăn mòn điện hoá đặc biệt.
Ăn mòn hoá học: Là sự phá huỷ kim loại bởi phản ứng hoá học dị thể
khi bề mặt kim loại tiếp xúc với môi trường gây ăn mòn, khi đó kim loại bị
chuyển thành ion kim loại đi vào môi trường trong cùng một giai đoạn.
Ăn mòn điện hoá: Là sự phá huỷ kim loại bởi các quá trình tương tác
của môi trường ăn mòn với bề mặt kim loại theo cơ chế điện hoá. Quá trình
phá huỷ kim loại theo cơ chế này không phải xảy ra trong một giai đoạn mà
nó thường xuyên bao gồm nhiều giai đoạn và tại nhiều vị trí khác nhau trên bề
mặt kim loại.
Hiện tượng ăn mòn điện hoá phá huỷ kim loại là hiện tượng phổ biến
rộng rãi, nó có thể xảy ra ở bất kì nơi nào mà tại đó có kim loại tiếp xúc với
dung dịch chất điện li và trên bề mặt tiếp xúc của hai pha này có tồn tại lớp
kép (thí dụ, ăn mòn trong các môi trường hoá chất, ăn mòn trong môi trường
biển,…)
Ăn mòn điện hoá học phá huỷ kim loại tuân theo tất cả những quy luật
của điện hoá học.
1.1.3 - Hiện tượng thụ động kim loại

Một số kim loại trong dung dịch điện li ở một điện thế đủ dương sẽ xảy
ra phản ứng anot như sau:
xMe + yH2O → MexOy + 2yH+ + 2ye
Phản ứng oxi hoá này tạo nên trên kim loại một lớp oxit sít chặt, lớp này
sẽ ngăn cách kim loại với môi trường xung quanh. Độ dày của lớp này có thể
thay đổi từ một lớp phân tử đến vài ngàn A0. Thường các điện cực kim loại
oxit này bị ăn mòn với tốc độ rất nhỏ, và khi đó nó được xem là ở trạng thái
thụ động.

Nguyễn Văn Mạnh

9

Lớp: Kỹ thuật hoá học 2009


Luận văn thạc sĩ khoa học

Thụ động là một hiện tượng quan trọng vì một số khá lớn kim loại được
dùng (Al, Mg, Fe, Ni, Cr, Mo, Ti, Zr,…) và các hợp kim của chúng bị thụ
động trong nhiều môi trường khác nhau. Có hai cách để chuyển kim loại vào
trạng thái thụ động:
-

Phân cực anot kim loại (sử dụng chúng như là một anot trong bình

điện hoá).
-

Đưa kim loại vào trong một dung dịch điện li có chứa cấu tử oxi

hoá thích hợp.
1.1.4 - Bảo vệ kim loại chống ăn mòn
Hiện nay có rất nhiều phương pháp bảo vệ kim loại chống ăn mòn,
chúng ta có thể phân loại thành các loại sau đây:
* Chọn và chế tạo vật liệu có độ bền chống ăn mòn cao làm việc trong
những môi trường ăn mòn.
* Bảo vệ kim loại bằng chất ức chế ăn mòn.
Để hạn chế sự xâm thực của môi trường, người ta có thể ngăn cách tác
động của môi trường với kim loại bằng cách cải tạo môi trường xâm thực, loại
bỏ các cấu tử gây nên ăn mòn. Ngoài ra, ta cũng có thể sử dụng các chất ức
chế ăn mòn để làm giảm tốc độ ăn mòn; đó là chất hoá học với liều lượng sử
dụng nhỏ đưa vào môi trường có thể kìm hãm các quá trình điện cực. Tác
dụng ức chế là do: :
- Hấp phụ phân tử chất ức chế hữu cơ lên bề mặt.
- Thụ động hoá kim loại.
- Tạo lớp kết tủa muối lên bề mặt, ngăn oxi có thể tiếp cận kim loại.
- Loại bỏ tác nhân ăn mòn (oxi hoà tan).
Chất ức chế là chất làm giảm đáng kể tốc độ ăn mòn nếu cho một lượng
nhỏ của chúng vào dung dịch điện ly. Chúng có thể được phân làm hai loại:
- Chất ức chế thụ động.

Nguyễn Văn Mạnh

10

Lớp: Kỹ thuật hoá học 2009


Luận văn thạc sĩ khoa học

- Chất ức chế hỗn hợp không thụ động.
* Bảo vệ kim loại khỏi ăn mòn bằng cách thay đổi thế điện cực.
- Bảo vệ catôt: có hai phương pháp :
+ Phương pháp bảo vệ catôt bằng anot hy sinh.
+ Phương pháp bảo vệ catôt bằng dòng điện ngoài.
- Bảo vệ anot: Nguyên tắc của phương pháp bảo vệ anot là phân cực
kim loại cần bảo vệ bằng cách chuyển nó về phía điện thế dương hơn, khi đó
thế của kim loại sẽ bị dịch chuyển vào vùng thế của trạng thái thụ động.
* Bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn bằng các lớp che phủ.
Phương pháp này nhằm cô lập bề mặt kim loại khỏi môi trường xâm
thực. Lớp ngăn cách như vậy thường bằng vật liệu bền ăn mòn.
Có thể phân loại các lớp phủ như sau:
+ Lớp phủ kim loại.
+ Lớp phủ phi kim loại, vô cơ (các loại sơn vô cơ).
+ Lớp phủ hữu cơ (các loại sơn hữu cơ).
* Xử lý môi trường gây ăn mòn nhằm giảm bớt tốc độ ăn mòn kim loại
1.2. LỚP PHỦ VÔ CƠ
1.2.1. Thành phần hoá học, tác dụng của oxit được sử dụng trong
chế tạo lớp phủ vô cơ.
Mỗi thành phần oxit có tính chất và tác dụng riêng. Các chất này có vừa
có tác dụng tạo ra chất chống ăn mòn, vừa có tác dung làm chất màu cho các
lớp phủ.
+ TiO2: có màu trắng rất đục, có khả năng che lấp tốt, thể hiện màu
mạnh, chịu ánh sáng, chịu kiềm, axit loãng, không biến màu, dễ bột hóa
+ ZnO: có màu trắng rực rỡ ,tính chống rỉ tốt và không biến màu ,không
bột hóa ,chịu nhiệt tốt ,che phủ kém hơn TiO2
+ ZnS + BaSO4 :che phủ ,thể hiện màu mạnh ,chịu kiềm tốt ,không chịu

Nguyễn Văn Mạnh

11

Lớp: Kỹ thuật hoá học 2009


Luận văn thạc sĩ khoa học

axit ,không chịu khí hậu ,dễ bột hóa
+ Fe 2 O 3 màu đỏ nâu ,đây là một lớp màu che lấp bong mờ có tác dụng
pha màu rất tốt cho sơn ,thể hiện màu mạnh, chịu ánh sáng, chịu kiềm,màu
không đẹp
+ Cr 2 O 3 :Đây là chất nhuộm màu có khả năng chống chịu axit.có màu
xanh.
1.2.2. Tác dụng của muối phốt phát trong sơn bảo vệ chống ăn mòn.
Sử dụng muối phốt phat trong sơn phủ trong bảo vệ chống ăn mòn có vai
trò rất quan trọng. Thường dùng các muối phốt phat của Nhôm - mangankẽm. Muối phốt phát tạo ra có tinh thể màu trắng. Màng sơn phủ phốt phat có
màu trắng, khi có mặt của một số oxit vô cơ tạo màu có thể tạo ra các màu sắc
như mong muốn ngoài ra nó còn có một số tính chất khác biệt mà các lớp sơn
thông thường không có được chẳng hạn như:
Muối phốt phát có tác dụng làm tăng tuổi thọ của màng sơn.
- Khả năng chống ăn mòn cao hơn nhiều lần so với các lớp sơn thông
thường.
- Lực bám (lực liên kết) của lớp sơn phốt phat với bề mặt kim loại gốc
rất bền chắc.
- Độ bền nhiệt tương đối cao.
- Độ dày của màng sơn….
1.2.3. Chế tạo sơn chống ăn mòn trên cơ sở bột màu photphat
1.2.3.1. Vai trò và ứng dụng của lớp sơn phủ trong chống ăn mòn kim
loại

Có rất nhiều vật dụng ,chi tiết ,nhà cửa ,công trình v v.. được sơn phủ.
Tác dụng của sơn phủ đầu tiên phải kể đến là nó có khả năng bảo vệ cho bề
mặt vật cần được sơn khỏi tác dụng xấu từ môi trường, nâng cao tuổi thọ cho
chi tiết. Thứ hai là về mặt mỹ thuật, nó tạo cho chi tiết có mầu sắc đẹp hơn và
Nguyễn Văn Mạnh

12

Lớp: Kỹ thuật hoá học 2009


Luận văn thạc sĩ khoa học

người ta có thể phân loại các chi tiết khác nhau nhờ lớp sơn phủ bên ngoài.
Hơn thế nữa với một số loại sơn đặc chủng có thể giải quyết được nhiều yêu
cầu về mặt kỹ thuật như sơn chống nấm mốc, sơn chống hà, sơn phản quang,
sơn phát quang, sơn chịu hoá chất, sơn chịu nhiệt, sơn cách nhiệt, sơn hấp thụ
sóng điện từ v.v.
Tuỳ theo yêu cầu sử dụng có thể lựa chọn loại sơn thích hợp. Nếu chỉ
yêu cầu bảo vệ bề mặt kim loại khỏi ăn mòn dưới tác dụng của môi trường ôxi
hoá thì sơn chống rỉ thường được lựa chọn. Bản chất chống rỉ của sơn là do
lớp màng sơn bao phủ trên bề mặt kim loại, ngăn cản sự xâm nhập của các tác
nhân ôxi hoá tấn công trực tiếp vào bề mặt kim loại và phá huỷ nó. Như vậy
khả năng bịt kín bề mặt kim loại của lớp màng sơn càng tốt thì khả năng bảo
vệ bề mặt kim loại càng cao. Nếu độ bám dính của lớp màng sơn với bề mặt
kim loại càng lớn, độ bền của lớp màng sơn càng cao thì khả năng bảo vệ bề
mặt kim loại sẽ càng tốt. Do một nguyên nhân nào đó mà lớp màng sơn bị
bong tróc, để lộ ra bề mặt kim loại thì ngay lập tức các tác nhân ôxi hoá từ
môi trường sẽ tiếp xúc trực tiếp với bề mặt kim loại và phá huỷ lớp bề mặt.
Môi trường ôxi hoá càng mạnh, nhiệt độ môi trường càng lớn và thời gian

càng dài thì lớp ôxi hoá càng sâu và có thể gây thủng thiết bị, ảnh hưởng
xấu đến môi trường và làm giảm năng suất thiết bị.
Có thể nói sơn phủ nói chung và sơn chống ăn mòn nói riêng đóng vai
trò hết sức quan trọng trong công nghiệp, đời sống và trong khoa học kỹ
thuật. Hiện nay sơn chống ăn mòn dựa trên các gốc vô cơ được sử dụng rộng
rãi trong cuộc sống và thay thế cho sơn gố hữu cơ ,và có nhiều tính năng ưu
việt hơn hẳn
1.2.3.2. Các thành phần của sơn
Sơn thông thường bao gồm các thành phần chính sau:
+ Chất tạo màng:

Nguyễn Văn Mạnh

13

Lớp: Kỹ thuật hoá học 2009


Luận văn thạc sĩ khoa học

Chất tạo màng là các polyme có độ bám dính tốt, có khả năng chứa các
loại bột như bột màu, bột độn tốt, có các tính chất như thời gian khô, độ cứng,
độ bóng tốt,...Chất tạo màng có vai trò quan trọng nhất trong sơn, quyết định
hầu hết các tính chất của màng sơn. Các polyme được sử dụng làm chất tạo
màng nhiều nhất trong sơn như là: nhựa alkyd, nhựa epoxy, nhựa vinyl, nhựa
acrylate, nhựa PU,.... Các tính chất quan trọng của chất tạo màng được quan
tâm trong công nghiệp sơn là: độ nhớt, tỷ trọng, khả năng hòa tan trong dung
môi, khả năng phản ứng hóa học ( với sơn khô hóa học),...
+ Bột màu:
Bột màu có 2 loại được sử dụng trong công nghiệp sơn là: bột màu vô cơ

và bột màu hữu cơ.
Bột màu vô cơ được sử dụng rất nhiều trong sơn do giá thành thấp, độ
bền cơ, bền nhiệt độ cao. Bột màu vô cơ là các hợp chất vô cơ có màu. VD:
màu đỏ của sơn chông rỉ thường sử dụng là bột oxit Fe, màu vàng là các hợp
chất của Cr, màu ghi là màu của oxit Zn, màu đen là màu của C,...Nhược
điểm lớn nhất của bột màu vô cơ là độ lên màu, độ phủ kém, màu xỉn,... Vì
vậy, phải dùng nhiều lượng bột màu.
Bột màu hữu cơ là các chất hữu cơ có màu. Ưu điểm của bột màu hữu cơ
là màu sắc tươi, sáng, cường độ lên màu cao, độ phủ tốt. Vì vậy, chỉ sử dụng
1 lượng nhỏ bột màu cũng đủ màu cho sơn và bột màu hữu cơ chủ yếu sử
dụng cho sơn phủ. Tuy nhiên, giá thành bột màu hữu cơ đắt, độ bền nhiệt
kém, dễ phân hủy khi nhiệt độ cao, dẫn đến hiện tượng loang màu sơn, hay
còn gọi là hiện tượng "sơn bay".
Các loại bột màu trong công nghiệp sơn chỉ cho các màu cơ bản như:
trắng, đen, đỏ, vàng, xanh lam,...Muốn có các màu sắc theo yêu cầu phải tiến
hành trộn các màu cơ bản với nhau theo nguyên tắc phối màu. Công đoạn này
rất quan trọng. Và người công nhân hoặc phụ trách pha màu là người được

Nguyễn Văn Mạnh

14

Lớp: Kỹ thuật hoá học 2009


Luận văn thạc sĩ khoa học

trọng dụng nhất trong công ty sơn do khả năng nhận biết màu sắc thì không
phải ai cũng làm được.
+ Bột phụ trợ (bột độn)

Bột phụ trợ là tên mới được sử dụng. Trước đây, người ta gọi loại bột
này là bột độn do mục đích làm giảm giá thành của sơn. Ngày nay, do phát
hiện 1 số tính chất tốt như cải thiện cơ tính của màng sơn mà loại bột này có
tên là bột phụ trợ.
Các loại bột phụ trợ thường sử dụng trong công nghiệp sơn là bột đá, bột
nặng, bột nhẹ,...(các loại này thường đều là CaCO3 nhưng do khác biệt về tính
chất đá nơi khai thác mà có tỷ trọng và 1 số tính chất khác nhau)
+ Phụ gia
Phụ gia là các hợp chất có thành phần rất nhỏ trong sơn nhưng đóng vai
trò cải thiện đáng kể các tính chất của màng sơn. Các loại phụ gia được sử
dụng nhiều nhất trong sơn là: phụ gia làm khô, phụ gia chống lắng, chống
chảy, tạo độ nhớt giả,...
Đối với các loại sơn alkyd do đặc tính khô lâu nên luôn phải sử dụng loại
phụ gia làm khô. Các phụ gia này là các hợp chất của Co, Mn, Pb,... đóng vai
trò khâu mạch alkyd giúp sơn khô nhanh hơn.
Phụ gia chống lắng đa phần là các bentonit có tác dụng tạo 1 lớp mạng
lưới trong màng sơn, từ đó giúp nâng đỡ các hạt bột màu và bột phụ trợ có tỷ
trọng cao.
Phụ gia chống chảy, tạo độ nhớt giả là các phụ gia mà khi thêm vào sẽ
phản ứng với chất tạo màng, tạo mạng không gian chật hẹp hơn, làm tăng độ
nhớt của sơn, tăng bám dính và có tác dụng chống chảy khi sơn lớp dày.
+ Dung môi:
Dung môi đóng vai trò pha loãng trong sơn. Các loại dung môi chủ yếu
được sử dụng bao gồm: xylen, toluen, MIBK, MEK, butyl acetate,....

Nguyễn Văn Mạnh

15

Lớp: Kỹ thuật hoá học 2009

Luận văn thạc sĩ khoa học

1.2.4. Phốt phát hoá bề mặt thép CT3.
Phốt phát hoá là công đoạn xử lý bề mặt thép trước khi sơn.
Mục đích lớp phủ phốt phát hoá bề mặt kim loại là tạo nên lớp màng
phốt phát bám chắc với kim loại nền, tạo điều kiện cho lớp sơn dính kết chắc
với kim loại nền, đồng thời có tác dụng bảo vệ chống ăn mòn cho thép.
Phốt phát hóa kim loại là tạo lên trên bề mặt kim loại màng phốt phát
như sắt, man gan, kẽm. màng phốt phát này không tan và gắn rất chắc với kim
loại nền. Màng phốt phát này không tan xốp bảo kém nó chỉ chịu được trong
không khí và trong nước. Muốn cho màng này bảo vệ được tốt hơn, sau khi
phốt phát hóa phải bôi trơn, thụ động trong dung crom mát hoặc sơn. Màng
phốt phát có điện trở lớn chịu được điện thế 300- 500 V dùng để cách điện
trong thiết bị điện.
Độ cứng của nó tương đương với đồng. Độ hòa tan của màng phốt phát
trong nước ở 25oC là 1,5 mg/l ở 90oC là 10,9 mg/l nó hòa tan mạnh trong axit
và trong kiềm cho nên nó không bền trong các môi trường trên. Màng có thể
chịu được ở nhiệt độ 400oC-500oC nhưng không lâu lắm. Do quá trình tiến
hành phốt phát hóa ở nhiệt độ khác nhau người ta chia ra 2 loại: phốt phát hóa
nóng và phốt phát hóa lạnh
1.2.4.1

Phốt phát hóa nóng:

Quá trình phốt phát hóa tiến hành ở nhiệt độ cao do thành phần và thời
gian phốt phát hóa khác nhau người ta chia phương pháp này thành 2loai phốt
phát hóa thường và phốt phát hóa nhanh.
a) Phốt phát hóa thường:

Phương pháp này dựa trên cơ sở nhúng mẫu thép vào dung dịch muối
phốt phát ở dạng hòa tan như kẽm man gan thường dùng là muối magie hay
mônô phốt phát kẽm có dạng tổng quát là Me(H2PO4)2. Muối này ngay ở
nhiệt độ thường có thể phân hủy nhưng không đáng kể.

Nguyễn Văn Mạnh

16

Lớp: Kỹ thuật hoá học 2009


Luận văn thạc sĩ khoa học

Me(H2PO4)2 ↔ MeHPO4 +H3PO4

(1)

Nhưng nếu đun nóng thì sẽ phân hủy triệt để hơn:
5Me(H2PO4)2↔ 2MeHPO4+ Me3(PO4)2+ 6H3PO4

(2)

Khi nhúng thép vào trong dung dịch phốt phát hóa xảy ra theo 2 quá
trình sau:
-

Quá trình anot: Fe - 2e →Fe2+

-

Quá trình catot: 2H+ +2e → H2

Ion H+ do quá trình phân ly của H3PO4 tự do hay:
Me(H2PO4)2 ↔ Me2+
H3PO3 ↔ H+

+2 H2PO4-

(3)

+ H2PO4-

(4)

HPO4 2- ↔ H+ + PO43-

(5)

Kết quả là lớp dung dịch gần bề mặt mẫu thép giàu ion Fe 2+ cũng như
các ion HPO 24− và PO 34−
Kết quả là lớp dung dịch gần bề mặt mẫu thép giàu ion Fe2+ cũng như
các ion HPO 24− và PO 34− tích số hòa tan của FeHPO4, MnHPO4 cũng như Fe3
(PO4)2 và Mn3(PO4)2 rất nhỏ. Bởi vậy cho nên lớp dung dịch gần bề mặt thép
đạt đến quá bão hòa và kết tinh lên bề mặt thép tạo thành lớp phủ phốt phát
theo phản ứng:
Fe2+

+ HPO 24− = FeHPO4 ↓

(6)

Mn2+ + HPO 24− = MnHPO4 ↓

(7)

Zn2+ + HPO42- = ZnHPO4 ↓

(8)

Hay
3Fe2+ + 2 PO43- = Fe3(PO4)2

↓

(9)

3Mn2+ + 2 PO43- = Mn3(PO4)2 ↓
3Zn2+ + 2 PO43- = Zn3(PO4)2 ↓

(10)
(11)

Thời gian phốt phát hóa là 35 – 50 phút, nhiệt độ dung dịch duy trì
khoảng 96oC – 98oC
Nguyễn Văn Mạnh

17

Lớp: Kỹ thuật hoá học 2009

Luận văn thạc sĩ khoa học

Nhiệt độ cao thì muối phốt phát rất dễ phân hủy theo phản ứng (1) và (2)
do đó MeHPO4 và Me3(HPO4)2 có thể kết tủa trên bề mặt thép và ngay cả
ngoài dung dịch. Trong dung dịch phốt phát hóa bao giờ cũng có H3PO4 tự do
nhưng trong quá trình phốt phát hóa H3PO4 tự do hầu như không thay đổi
(0,03 g/l – 0,1 g/l).
Nếu khống chế nhiệt độ thấp thì thời gian phốt phát hóa sẽ kéo dài và có
khi đến vô cùng.
Thời gian phốt phát hóa phụ thuộc vào các yếu tố như sau :
-

Thành phần kim loại

-

Phương pháp gia công bề mặt trước khi phốt phát

-

Tỉ số axit chung và tự do

-

Nhiệt độ

-

Tạp chất có trong dung dịch ( SO4-, Cl-)

Thành phần và chế độ làm việc:
Mg

320 g/l

Nhiệt độ

98 – 100 độ

Thời gian

40 – 65 phút

Axit chung / axit tự do

7–8

b. Phốt phát hóa nhanh
Để tăng tốc độ quá trình phôt phat hóa kim loại đen thường người ta
thêm vào dung dịch phôt phat hóa chất khử hay hợp chất hữu cơ. Thời gian
phốt phát hóa chỉ còn từ 10 – 15 phút. Vai trò của những chất này hiện nay
chưa thống nhất. Nhưng cũng có nhiều ý kiến cho rằng nó đóng vai trò là chất
khử phân cực thúc đẩy quá trình catot.
Chất oxi hóa thường dùng là muối nitrat, nitrit, clorat.
Chất khử thường dùng là muối bisunfit, sunfit. Hợp chất hữu cơ,
hydroxynlamin, nitrobenzen, thiouro…

Nguyễn Văn Mạnh

18

Lớp: Kỹ thuật hoá học 2009


Luận văn thạc sĩ khoa học

Thành phần và chế độ làm việc:
Dung dịch 1: Magie

30 g/l

NaNO3

4 – 6 g/l

Zn(NO3)2.6H2O

60g/l

H3PO4 tự do

0,1 – 1 g/l

Nhiệt độ

92oC – 96oC

Thời gian

8 – 10 phút

Dung dịch 2: Zn(H2PO4).2H2O

35 – 37 g/l

Zn(NO3)2.6H2O
H3PO4 tự do

52 – 53 g/l
15 – 16 g/l
axit chung / axit tự do: 51 − 61

Tỉ lệ:
Nhiệt độ

85oC – 95oC

Thời gian

15 – 20 phút

1.2.4.2. Phốt phát hóa lạnh.
Phốt phát hóa lạnh là phốt phát hóa ở nhiệt độ thường không tốn nhiệt
năng, không cần phải khống chế nhiệt độ một cách nghiêm ngặt, nhưng màng
phốt phát hóa mỏng dùng để làm nền cho sơn.
Muốn tiến hành quá trình phốt phát hóa lạnh phải thêm vào dung dịch
chất hoạt động đặc biệt như nitrit, Zn(NO3)2, KClO3, NaF, các loại này làm
tăng tốc độ hòa tan kim loại.

Thành phần và chế độ làm việc:
Dung dịch 1: magie

35 – 45 g/l

Zn(NO3)2 70 – 90 g/l
NaF

4–6

Axit chung
Axit tự do

20 – 40

Thời gian 20 – 40 phút
Nguyễn Văn Mạnh

19

Lớp: Kỹ thuật hoá học 2009


Luận văn thạc sĩ khoa học

Dung dịch 2: H3PO4 tự do

80 – 85 g/l

ZnO

15 – 17 g/l

NaNO2

1 – 2 g/l

pH

2,7 – 3,1

thời gian

15 – 20 phút

1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO, KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ.
1.3.1 – Khả năng chịu ăn mòn của lớp phủ
Để đánh giá một cách toàn diện về tuổi thọ của các lớp phủ trong môi
trường ăn mòn người ta có thể dùng nhiều phương pháp khác nhau. Mỗi
phương pháp cho những kết quả với độ chính xác tương đối khác nhau, để từ
đó có thể nghiên cứu tìm ra loại lớp phủ có những đặc tính tốt nhất, có khả
năng chống chịu cao trong môi trường ăn mòn. Có thể sử dụng các phương
pháp đánh giá ăn mòn sau:
- Phương pháp tổn hao khối lượng xác định tốc độ ăn mòn theo thời gian
và trên một đơn vị diện tích (đơn vị thông dụng là g/cm.năm) hoặc theo chiều
sâu của lớp kim loại bị phá huỷ (đơn vị đo là mm/năm). Phương pháp này dễ
làm tuy nhiên độ chính xác không cao, và phải tiến hành trong thời gian tương
đối dài.
- Phương pháp đo điện hoá đánh giá ăn mòn. Phương pháp này có thể cho
kết quả tốt trong thời gian ngắn đối với những hệ đã biết. Ngoài ra, người ta có

thể dùng phương pháp này để so sánh tính chất ăn mòn của các vật liệu.
Khả năng của phương pháp điện hoá:
- Xác định tốc độ ăn mòn thay cho phương pháp cổ điển xác định tốc độ
ăn mòn bằng tổn thất trọng lượng.
- Nghiên cứu cơ chế về phản ứng ăn mòn.
+Phương pháp đo điện thế ăn mòn Ecorr:
Đối với thế điện cực xuất hiện trên ranh giới kim loại - dung dịch không

Nguyễn Văn Mạnh

20

Lớp: Kỹ thuật hoá học 2009


Luận văn thạc sĩ khoa học

thể xác định được bằng thực nghiệm giá trị tuyệt đối của đại lượng nhiệt động
này, các giá trị đo được đều là tương đối so với thế của một điện cực so sánh
khác. Điện cực so sánh thường được chọn là điện cực calomen Hg/HgCl2/KCl
bão hoà có thế bằng 0,2415V so với điện cực tiêu chuẩn hiđro (điện cực
calomen có điện thế rất ổn định, độ lặp lại cao, dễ sử dụng và dễ bảo quản).
Khi muốn đo thế của một điện cực nào đó, người ta ghép nó với điện cực
so sánh tạo thành một pin. Đo sức điện động của pin thu được và biết thế của
điện cực so sánh, ta xác định được thế của điện cực kia.
Thông qua điện thế ăn mòn Ecorr thay đổi tăng hay giảm theo thời gian có
thể biết được:
- Kim loại có bề mặt bị thụ động hay hoạt hoá.
- Xu thế phát triển của trạng thái bề mặt theo thời gian
- So sánh được mức độ hoạt động tương đối của các kim loại trong cùng

điều kiện.
Ngoài thực hiện việc đo điện thế ăn mòn Ecorr còn sử dụng thêm phương
pháp nghiên cứu cấu trúc tế vi lớp phủ và chụp ảnh quan sát bề mặt lớp phủ
sau một khoảng thời gian ngâm mẫu nhất định.
1.3.2. Xác định các tính chất cơ, lí của lớp phủ
1.3.2.1. Tỉ khối, độ xốp
a) Khái niệm
Độ xốp là một trong những tính năng quan trọng nhất của lớp phủ. Đặc tính
cấu trúc xốp và độ ổn định của nó ảnh hưởng đến những tính chất sử dụng của
lớp phủ như độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt, độ thấm khí, điện trở... ảnh hưởng của độ
xốp tới độ bền kết cấu có hai mặt. Nếu chi tiết làm việc trong môi trường được
bôi trơn đầy đủ, thì cấu trúc xốp cho phép thấm và giữ dầu bôi trơn và tăng khả
năng chống mài mòn của thiết bị. Đối với lớp phủ bảo vệ thì cấu trúc xốp có ảnh
hưởng xấu vì khí và chất lỏng có hại sẽ chui qua các lỗ xốp hở vào kim loại nền

Nguyễn Văn Mạnh

21

Lớp: Kỹ thuật hoá học 2009


Luận văn thạc sĩ khoa học

và phá hủy kim loại nền. Khi nghiên cứu cấu trúc xốp của lớp phủ người ta phân
biệt mấy khái niệm sau: độ xốp tổng (P), độ xốp hở (Ph), độ xốp kín (Pk) và độ
xốp tản mát (Pt).
(1)

P = Ph + Pk + Pt

Độ xốp tản mát xuất hiện khi độ hòa tan của khí vào lớp phủ giảm đi khi
làm nguội. Trong đa số các trường hợp phun phủ, các hạt kim loại bị chảy ra,
dẫn đến sự hòa tan mạnh của oxy, nitơ và các khí khác vào kim loại lỏng. Khi
lớp phủ nguội và kết tinh thì khí sẽ thoát ra tạo thành lỗ xốp. Những lỗ xốp này
có thể phân bố theo biên các hạt và có thể nằm cả bên trong hạt.
b) Phương pháp xác định độ xốp và tỷ trọng của lớp phủ
Để xác định độ xốp (P), người ta thường xác định tỷ trọng tổng ( ρ ) của lớp
phủ theo các phương pháp sau đây:
Cân khối lượng trong chất lỏng.
Đo độ xốp thủy ngân.
Soi kim tương.
Trong các phương pháp kể trên, phương pháp cân khối lượng chất lỏng là
phương pháp đơn giản và khá chính xác, được dùng rộng rãi cho các loại lớp
phủ. Phương pháp này dựa trên nguyên tắc lực đẩy Acsimét.
Ta có:

m K = VCN .ρ CN

(mTK

(2)

− mTN ) = VT ρ N

⇒ VT =

VT = VCN + V P ⇒ VCN = VT − V P

mTK − mTN

(3)

ρP

mà VP =

∆m

(4)

ρP

Từ (3) và (4) ta có:
VCN =

mTK − mTN

ρN

−

∆m

ρP

(5)

Từ (2) và (5) ta có tỷ trọng của lớp phủ được tính theo công thức:

Nguyễn Văn Mạnh

22

Lớp: Kỹ thuật hoá học 2009


Luận văn thạc sĩ khoa học
ρ CN =

mK
VCN

(6)

Trong đó:
m K - khối lượng mẫu cân khô trong không khí (g)

mTK - khối lượng mẫu sau khi nhúng parafin cân khô (g)
mTN - khối lượng mẫu nhúng parafin cân trong nước cất (g)
∆m - Khối lượng parafin bám trên bề mặt mẫu(g)
3

ρ CN - tỷ trọng của lớp phủ (g/cm )

ρ N - tỷ trọng của nước cất ρ N = 1,00 g / cm 3
ρ P - tỷ trọng của parafin ρ P = 0,92 g / cm 3
3

VCN - thể tích mẫu đo (cm )

3

V P - thể tích parafin (cm )
3

VT - thể tích của mẫu sau khi nhúng parafin (cm )

1.3.2.2. Độ bền bám dính
Bước 1: Tạo hình dạng kích thước mẫu.
Bước 2: Phun tạo lớp phủ trên bề mặt.
Bước 3: Dán keo trên bề mặt mẫu có lớp phủ. Loại keo dán 2011
(Aradite, địa chỉ www.aridite.com) (Pháp).
Bước 4: Kéo mẫu trên máy DLR (Đức) (Hình 1)

Hình 1. Thiết bị đo bám dính DLR

Nguyễn Văn Mạnh

23

Lớp: Kỹ thuật hoá học 2009