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

Khóa luận tốt nghiệp

Hoàng Thị Thúy Nga


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



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 3APTMS 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



(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
0

bằng 3-APTMS 1% trong ethanol trước và sau khi sấy ở 50 C
(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



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



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



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



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.

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.



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.
3

 Tỷ trọng: 2,5 đến 3,2g/cm , 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).


0

Chịu nhiệt cao tới 600 đến 1100 C, 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.



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



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

Lớp tứ diện

Hình 1: Cấu trúc tinh thể sericit
+

Các ion K nằm ở các hốc trốn g 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.



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
2

sắp xếp tạo thành các hốc trống với diện tích vào khoảng 0,18 nm 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