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

VŨ THỊ DUNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO SƠN GIÀU KẼM VÔ CƠ SỬ DỤNG LÀM SƠN
LÓT BẢO VỆ KẾT CẤU THÉP

Chuyên ngành : Công nghệ Vật liệu Polyme

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. NGUYỄN THỊ BÍCH THỦY
2. PGS.TS PHAN THỊ MINH NGỌC

Hà Nội – Năm 2010


LuËn v¨n tèt nghiÖp

Vò ThÞ Dung CNVL Polyme 2008 - 2010

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... 4
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... 5
TÓM TẮT ............................................................................................................... 6
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 7
PHẦN I: TỔNG QUAN .......................................................................................... 9

1.1. Giới thiệu chung về ăn mòn kim loại và sự bảo vệ ăn mòn kim loại của màng
sơn ....................................................................................................................... 9
1.1.1. Giới thiệu chung về ăn mòn kim loại ....................................................... 9
1.2. Giới thiệu chung về sơn vô cơ giàu kẽm ...................................................... 12
1.2.1. Khái quát chung .................................................................................... 12
1.2.2. Lịch sử phát triển của sơn vô cơ giàu kẽm ............................................. 12
1.2.3. Phân loại ............................................................................................... 13
1.2.4. Hệ sơn lót giàu kẽm ............................................................................. 15
1.2.5. Đặc tính của màng phủ trên cơ sở etyl silicat ........................................ 16
1.2.6. Cơ chế đóng rắn của màng phủ silicat giàu kẽm .................................... 17
1.2.7. Hiệu quả chống ăn mòn của hệ sơn vô cơ silicat-kẽm............................ 21
1.2.8. Ứng dụng .............................................................................................. 23
1.3. Chất tạo màng ............................................................................................. 25
1.3.1. Alkyl silicat ........................................................................................... 25
1.3.2. Sự thuỷ phân của etyl silicat. ................................................................. 26
1.3.2.1. Các yếu tố ảnh hƣởng chính đến sự hình thành chất tạo màng etyl
silicat ........................................................................................................... 27
1.3.2.2. Hoá học của chất tạo màng etyl silicat............................................. 27
1.4. PHỤ GIA .................................................................................................... 29

1


LuËn v¨n tèt nghiÖp

Vò ThÞ Dung CNVL Polyme 2008 - 2010

1.4.1. Phụ gia phân tán .................................................................................... 29
1.4.2. Phụ gia chống tạo bọt ............................................................................ 33
PHẦN II: CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU................................................. 36

2. 1. Nguyên liệu ................................................................................................ 36
2.1.1. Chất tạo màng ....................................................................................... 36
2.1.2. Bột kẽm................................................................................................. 36
2.1.3. Bột màu, chất độn và các phụ gia ........................................................ 36
2.2 Các phƣơng pháp xác định tính chất vật lý của sơn ................................... 37
2.2.1. Phƣơng pháp xác định độ mịn ............................................................ 37
2.2.2. Phƣơng pháp xác định màu sắc .......................................................... 37
2.3 Các phƣơng pháp xác định tính chất cơ lý của màng sơn........................... 37
2.3.1. Phƣơng pháp xác định độ bền va đập ................................................. 37
2.3.2. Phƣơng pháp xác định độ bền uốn dẻo ............................................... 38
2.3.3. Phƣơng pháp xác định độ cứng tƣơng đối .......................................... 39
2.3.4. Phƣơng pháp xác định độ bám dính ...................................................... 40
2.3.5. Phƣơng pháp xác định độ bền cào xƣớc ............................................. 40
2.3.6. Phƣơng pháp xác định độ bền nhiệt ẩm .............................................. 41
2.3.7. Phƣơng pháp tổng trở ....................................................................... 42
2.3.8. Phƣơng pháp thử nghiệm mù muối đánh giá khả năng chống ăn mòn
.................................................................................................................... 43
2.3. Quy trình chế tạo sơn .................................................................................. 44
PHẦN III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................. 46
3.1. Khảo sát chế độ thủy phân chế tạo chất tạo màng ........................................ 46
3.1.1. Khảo sát ảnh hƣởng của hàm lƣợng HCl đến phản ứng thủy phân và tính
chất cơ lý của màng sơn .................................................................................. 46

2


LuËn v¨n tèt nghiÖp

Vò ThÞ Dung CNVL Polyme 2008 - 2010


3.1.2. Khảo sát ảnh hƣởng của hàm lƣợng H2O đến mức độ thủy phân của etyl
silicat và tính chất cơ lý của màng sơn ............................................................ 49
3.2. Khảo sát ảnh hƣởng của hàm lƣợng chất tạo màng ...................................... 51
3.3. Khảo sát ảnh hƣởng của hàm lƣợng bột kẽm đến tính chất cơ lý của màng
sơn ..................................................................................................................... 54
3.4. Khảo sát ảnh hƣởng của phụ gia đến tính chất của màng sơn ....................... 57
3.4.1. Nghiên cứu lựa chọn phụ gia phân tán sử dụng trong hệ sơn vô cơ giàu
kẽm ................................................................................................................. 57
3.4.2. Nghiên cứu lựa chọn phụ gia phá bọt .................................................... 58
3.5. Khảo sát khả năng chống ăn mòn của hệ sơn lót etyl silicat giàu kẽm bằng
phƣơng pháp tổng trở ......................................................................................... 60
3.6. Khảo sát sự tƣơng thích của sơn lót etyl silicat giàu kẽm với các loại sơn phủ
........................................................................................................................... 62
3.7. Đánh giá chất lƣợng các loại sơn giàu kẽm vô cơ ........................................ 64
KẾT LUẬN ........................................................................................................... 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 67

3


LuËn v¨n tèt nghiÖp

Vò ThÞ Dung CNVL Polyme 2008 - 2010

LỜI CẢM ƠN
Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc em xin chân thành cảm ơn toàn thể các
thầy cô giáo và các cán bộ của Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Polyme nói riêng và
trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội nói chung đã truyền đạt kiến thức cho em trong
những năm học tập tại trƣờng. Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến TS.
Nguyễn Thị Bích Thủy (Viện chuyên ngành Vật liệu xây dựng và bảo vệ công trình

thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông vận tải) và PGS.TS. Phan Thị Minh
Ngọc (Trung tâm NCVL Polyme – Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội) đã tận tình
hƣớng dẫn em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn các anh, chị tại Viện Chuyên ngành Vật
liệu Xây dựng và Bảo vệ công trình (Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông vận
tải), gia đình và ngƣời thân đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và có nhiều giúp đỡ quý
báu để em hoàn thành luận văn này.

Hà Nội, ngày 20 – 10 – 2010
Học viên

VŨ THỊ DUNG

4


LuËn v¨n tèt nghiÖp

Vò ThÞ Dung CNVL Polyme 2008 - 2010

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình do chính tôi nghiên cứu và thực hiện trong
quá trình nghiên cứu và học tập trong khuôn khổ chương trình cao học công nghệ
vật liệu polymer tại Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội.Tôi xin chịu hoàn toàn
trách nhiệm về nội dung của luận văn này.

Học viên

Vũ Thị Dung


5


LuËn v¨n tèt nghiÖp

Vò ThÞ Dung CNVL Polyme 2008 - 2010

TÓM TẮT
Luận văn bao gồm 3 phần: Phần 1: Tổng quan; Phần 2: Các phƣơng pháp
nghiên cứu; Phần 3: Kết quả và thảo luận.
Phần 1: Giới thiệu chung về ăn mòn kim loại và sự bảo vệ ăn mòn kim loại
của màng sơn, giới thiệu chung về sơn vô cơ giàu kẽm, khái quát sơ lƣợc về chất
tạo màng và sự thủy phân của etyl silicat.
Phần 2: Nêu các phƣơng pháp nghiên cứu đƣợc áp dụng trong quá trình thực
nghiệm nhƣ các phƣơng pháp xác định tính chất vật lý, cơ học của màng sơn,
phƣơng pháp tổng trở, phƣơng pháp mù muối
Phần 3: Trình bày các kết quả đã thu đƣợc trong quá trình thực nghiệm về
việc khảo sát chế độ thủy phân của chất tạo màng, khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng
đến chất lƣợng của màng sơn nhƣ ảnh hƣởng của chất tạo màng, bột kẽm, và ảnh
hƣởng của các loại phụ gia, từ đó đƣa ra công thức chế tạo sơn giàu kẽm vô cơ tối
ƣu. Khi nghiên cứu đƣa ra đƣợc công thức sơn tối ƣu, đề tài tiếp tục khảo sát khả
năng chống ăn mòn của màng sơn qua phƣơng pháp đo tổng trở đồng thời tiến hành
khảo sát sự tƣơng thích của loại sơn lót này với các loại sơn phủ khác nhau.

6


LuËn v¨n tèt nghiÖp


Vò ThÞ Dung CNVL Polyme 2008 - 2010

MỞ ĐẦU
Kim loại là vật liệu đƣợc sử dụng phổ biến nhất trong các ngành công nghiệp
do nó có một số ƣu điểm hơn hẳn các vật liệu khác nhƣ độ dẫn nhiệt, dẫn điện cao,
độ bền cơ học cao, độ co thấp, độ kháng kéo cao và độ bền nhiệt cao, và đặc biệt là
từ kim loại dễ dàng chế tạo ra các thiết bị, máy móc…. Do những tính năng ƣu việt
vốn có của kim loại nên kim loại đã xâm nhập vào hầu hết các ngành công nghiệp
để chế tạo các thiết bị, các cấu kiện, máy móc trong các ngành công nghiệp.
Sự ăn mòn kim loại do tác động hoá học hoặc vật lý của môi trƣờng xâm
thực làm suy giảm tính chất của vật liệu làm giảm chất lƣợng, giảm thời gian khai
thác của máy móc, thiết bị và cấu kiện, và đồng nghĩa với việc này là gây ra tổn thất
lớn đối với nền kinh thế quốc dân, đặc biệt đối với các nƣớc có nền công nghiệp
đang phát triển. Do vậy việc nghiên cứu để bảo vệ kim loại khỏi sự ăn mòn là một
vấn đề có ý nghĩa rất lớn về khoa học và thực tiễn.[1]
Một trong các phƣơng pháp thuận tiện và phù hợp cho việc bảo vệ sự ăn mòn
bằng sự cách ly chúng tiếp xúc với môi trƣờng (oxy và hơi ẩm). Ở đây sự bảo vệ
kim loại có thể đƣợc thực hiện bằng cơ chế bảo vệ catốt hoặc cơ chế rào cản. Trong
số các phƣơng pháp bảo vệ ăn mòn có hiêụ quả thì sơn là một công nghệ đƣợc sử
dụng rộng rãi nhất. Sự tác động bảo vệ kim loại chống lại sự ăn mòn phụ thuộc vào
các yếu tố nhƣ chất lƣợng màng sơn, đặc tính của kim loại, sự tƣơng tác của màng
phủ kim loại và môi trƣờng xâm thực. Màng phủ bảo vệ kim loại chống ăn mòn
theo cơ chế rào cản và cơ chế sử dụng chất ức chế ăn mòn. Trong số các vật liệu sử
dụng cho việc bảo vệ kết cấu thép thì vật liệu có chứa kẽm đƣợc tìm thấy là loại vật
liệu mang lại hiệu quả cao nhất [14, 15]. Kẽm có thể ngăn chặn hoặc làm chậm lại
sự ăn mòn của thép theo cơ chế điện hoá hoặc bằng sự sơn phủ bằng loại sơn có
chứa hàm lƣợng kẽm cao đƣợc phân tán trong chất tạo màng vô cơ hoặc hữu
cơ.Trong những năm gần đây trên thế giới đã và đang tập trung nghiên cứu hệ sơn
đi từ các hợp chất vô cơ nhờ những ƣu việt của các hợp chất vô cơ là khả năng chịu
nhiệt độ cao và chịu mài mòn hơn hẳn các hợp chất hữu cơ. Việt nam nằm trong

khu vực khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, đây là điều kiện thuận lợi cho quá trình ăn mòn

7


LuËn v¨n tèt nghiÖp

Vò ThÞ Dung CNVL Polyme 2008 - 2010

các kết cấu thép. Do vậy việc “nghiên cứu chế tạo sơn giàu kẽm vô cơ sử dụng
làm sơn lót bảo vệ kết cấu thép” là một vấn đề có ý nghĩa rất lớn về khoa học và
thực tiễn.

8


LuËn v¨n tèt nghiÖp

Vò ThÞ Dung CNVL Polyme 2008 - 2010

PHẦN I: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu chung về ăn mòn kim loại và sự bảo vệ ăn mòn kim loại
của màng sơn
1.1.1. Giới thiệu chung về ăn mòn kim loại [4, 19]
Do cấu trúc kim loại không đồng nhất, khi có mặt nƣớc 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 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  4OHTổng 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
Sơ đồ quá trình ăn mòn thép đƣợc đƣa ra trong hình 1.1.

Môi trƣờng ăn mòn

OHˉ

Fe2+
Fe

O2

eˉ

Anot

Catot
Thép (Fe)

Hình 1.1. Sơ đồ quá trình ăn mòn thép
1.1.2. Sự bảo vệ ăn mòn kim loại của màng sơn [8, 20, 31]
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
9



LuËn v¨n tèt nghiÖp

Vò ThÞ Dung CNVL Polyme 2008 - 2010

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.
 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.

10


LuËn v¨n tèt nghiÖp

Vò ThÞ Dung CNVL Polyme 2008 - 2010

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 [2,3]:
- 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.
- 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

11


LuËn v¨n tèt nghiÖp

Vò ThÞ Dung CNVL Polyme 2008 - 2010

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.
1.2. Giới thiệu chung về sơn vô cơ giàu kẽm
1.2.1. Khái quát chung
Sơn lót giàu kẽm với chất tạo màng vô cơ đã đƣợc sử dung trong cách đây
khoảng 40 năm. Trong hợp phần có chứa 80 – 95% khối lƣợng bột kẽm. Chất tạo
màng vô cơ đƣợc sử dụng là kiềm silicat hoặc alkyl silicat, các chất này có thể phản
ứng với các hạt kẽm trong màng phủ để hình thành nền kẽm silicat bao quanh các
hạt kẽm. Đồng thời, chất tạo màng trên cơ sở silicat có thể phản ứng hoá học với
nền thép. Kết quả tạo ra sự bám dính tuyệt vời với nền thép và khả năng chịu mài
mòn của màng sơn khô tốt. Trong đó chất tạo màng trên cơ sở alkyl silicat là loại
chất tạo màng đƣợc sử dụng phổ biến trong những năm gần đây. [27]
1.2.2. Lịch sử phát triển của sơn vô cơ giàu kẽm [10, 12]
Các lớp phủ kẽm vô cơ lần đầu tiên đƣợc thử nghiệm bởi Victor Nightingall
ngƣời Úc vào những năm 1940. Ông đã tiến hành trộn bột kẽm với natri silicat để
tạo ra một lớp phủ thay thế lớp mạ, đồng thời tiến hành các thí nghiệm sử dụng các
loại phụ gia để tạo ra các lớp phủ cô cơ có tuổi thọ cao và có khả năng chống ăn
mòn tốt. Loại lớp phủ vô cơ đƣợc thử nghiệm đầu tiên tại đƣờng ống Morgan Wyalla với màng phủ đƣợc bảo đảm trong 20 năm. Tiếp đó, kế thừa và phát triển các
thành tựu về các lớp phủ kẽm vô cơ, vào những năm 1950 ngƣời Mỹ đã tiến hành
các nghiên cứu để phát triển loại sản phẩm này.
Việc nghiên cứu các lớp phủ kẽm đã đƣợc tiếp tục bởi các công ty trên toàn
thế giới. Một số lớp phủ đã đƣợc thử nghiệp bao gồm các tỉ lệ natri oxit khác nhau,
natri silicat, kali silicat, liti silicat, etyl silicat, amoni silicat, các muối phot phat, titanat, borat, keo silica trong dung môi, và việc kết hợp của chúng.
Sử dụng etyl silicat là một bƣớc phát triển diễn ra không lâu sau sự phát triển
của kẽm vô cơ và đã đƣợc cấp chứng nhận vào cuối những năm 1950 đầu 1960.
Nhiều hãng nổi tiếng trên thế giới luôn đi đầu trong việc nghiên cứu phát
triển, chế tạo và cung cấp các nguyên liệu đầu cho công nghiệp sơn cũng nhƣ chế

12



LuËn v¨n tèt nghiÖp

Vò ThÞ Dung CNVL Polyme 2008 - 2010

tạo và cung cấp các loại sơn giàu kẽm vô cơ chất lƣợng cao, thích hợp để bảo vệ kết
cấu thép các công trình và phƣơng tiện giao thông vận tải cho toàn thế giới. Trong
số đó phải kể đến các hãng nhƣ: Ameron, Carboline, Hempel’s Marine Paints, International Paint, Jotun, Mobil Chemical và Sigma Coatings.
1.2.3. Phân loại [9, 11]
Sơn lót giàu kẽm có thể phân chia thành các dạng khác nhau dựa vào chất kết
dính và dung môi sử dụng. Các nhóm chủ yếu đƣợc sử dụng trong công nghiệp
ngày nay đƣợc phân loại nhƣ trình bày ở hình 1.2.
Sơn lót giàu kẽm

Sơn lót vô cơ

Sơn etyl silicat
hệ dung môi

Sơn silicat
KLK hệ nƣớc

Na

K

Sơn lót hữu cơ

Li

1-TP


2-TP

Sơn hữu cơ
hệ dung môi

epoxy

Polyurethan

Sơn hữu cơ
hệ nƣớc

Epoxy ester
epoxy

1-P

2-TP
2-TP

Hình 1.2. Phân loại sơn lót giàu kẽm

13

3-TP


LuËn v¨n tèt nghiÖp


Vò ThÞ Dung CNVL Polyme 2008 - 2010

Tính chất đặc trƣng của các loại sơn lót giàu kẽm thông thƣờng đƣợc so sánh
trong bảng 1.1. Từ các tính chất chung nhất của một số sơn lót giàu kẽm ở bảng 1.1
có thể thấy sơn giàu kẽm trên cơ sở etyl silicat có một số tính chất nổi trội hơn so
với sơn lót trên cơ sở chất tạo màng hữu cơ.
Bảng 1.1: Tính chất đặc trƣng của lớp sơn lót giàu kẽm
TT

Loại sơn Silicat kim
Tính chất

Ethyl

Epoxy

Epoxy

loại kiềm

Silicat

dung môi

nƣớc

1

Chống ăn mòn


Rất cao

Rất cao

Cao

Cao

2

Độ bám dính

Rất cao

Rất cao

Cao

Cao

3

Khả năng hàn

Rất cao

Rất cao

Thấp


Rất thấp

4

Khả năng cắt

Rất cao

Rất cao

Thấp

Rất thấp

5

Độ đàn hồi

Hạn chế

Hạn chế

Tốt

Xấu

6

Thời gian bảo quản, tháng


9

6

12

12

5

1/2

7

7

> 100

< 23

25-35

> 100

2/8

12/24

1,5/2


2/3

Rất cao

Rất cao

Không sử

Không sử

(pH=6-10)

(pH=6-10)

dụng

dụng

400

400

120

120

75

60


60

55

Cao

Cao

Rất cao

Cao

Rất cao

Rất cao

Cao

Cao

Máy phun

Máy phun

Dễ thi

Dễ thi

sơn


sơn

công

công

7
8
9

Thời gian khô hoàn toàn,
ngày
Điểm bắt cháy, oC
Thời gian chờ giữa 2 lớp kế
tiếp ở 23oC/10oC, h

10 Bền hóa chất
11 Bền nhiệt, oC
12

Hàm lƣợng chất rắn tính
theo thể tích, %

13 Độ bền nƣớc
14 Độ bền dung môi
15 Điều kiện thi công sơn

14



LuËn v¨n tèt nghiÖp

Vò ThÞ Dung CNVL Polyme 2008 - 2010

1.2.4. Hệ sơn lót giàu kẽm [22]
- Phủ lớp sơn lót giàu kẽm trên bề mặt kim loại là phƣơng pháp có hiệu quả
trong bảo vệ chống ăn mòn. Thực tế cho thấy để đạt đƣợc hệ thống lớp phủ có tuổi
thọ cao thì cần dùng lớp sơn lót giàu kẽm nhƣ một lớp phủ đầu. Kẽm cung cấp hai
yếu tố bảo vệ chống ăn mòn:
- Bịt kín (cách ly) bề mặt kim loại không để tiếp xúc với môi trƣờng ăn mòn,
hiệu ứng màn chắn ngăn cản oxy và nƣớc, tránh hình thành sự ăn mòn trên bề mặt
thép (hình 1.3).
- Cung cấp điện cực bảo vệ ( hình 1.4). Sự có mặt của các điện tích âm trong
lớp sơn lót kẽm sẽ bị đoản mạch trên tất cả các phần pin hoạt động trên thép. Thép
sẽ trở thành các catot với anot là kẽm. Xảy ra sự ăn mòn kẽm nhƣng thép sẽ không
bị ăn mòn thậm chí ngay cả những điểm không có Zn bao phủ. Do đó, bề mặt thép
phải đƣợc làm sạch loại bỏ tất cả các chất bẩn và tạp chất để lớp phủ Zn tiếp xúc
điện với bề mặt thép tốt.

Nƣớc + Không khí

Hình 1.3: Bít kín bề mặt kim loại không tiếp xúc với môi trường ăn mòn

15


LuËn v¨n tèt nghiÖp

Vò ThÞ Dung CNVL Polyme 2008 - 2010


Lớp điện hoá
Lớp sơn lót giàu kẽm
Nền thép

Hình 1.4: Cung cấp điện cực bảo vệ
So sánh với sơn trên cơ sở chất kết dính là epoxy thì sơn trên cơ sở chất kết
dính silicat có thể đƣợc phủ màu với kẽm ở hàm lƣợng cao, do đó đặc tính bảo vệ
catot đạt đƣợc nhƣ với việc bảo vệ kim loại bằng phƣơng pháp mạ kẽm. Đây là
hƣớng đi mới trong ngành công nghiệp sơn.[16]
1.2.5. Đặc tính của màng phủ trên cơ sở etyl silicat [5, 11, 12]
Thép không tinh khiết (ví dụ thép cacbon) hoạt động giống nhƣ các pin tế vi
gây ra gỉ. Sắt đầu tiên bị oxy hoá thành ion hoá trị 2. Khi có mặt của kim loại với
điện thế thấp hơn (ví dụ nhƣ kẽm) thì kim loại này sẽ bị oxy hoá trƣớc. Điện tử
đƣợc giải phóng chống lại sự oxy hoá sắt.
Zno
2e- + Fe2+

Zn2+ + 2 eFeo

Theo đó sự oxy hoá của sắt chỉ bắt đầu khi tất cả các kim loại kẽm bị oxy
hoá hết. Qúa trình này chỉ xuất hiện nếu ở đó có đủ khả năng dẫn điện (sự tiếp xúc)
giữa kẽm và sắt. Do đó việc làm sạch bề mặt nền kim loại là rất quan trọng để đảm
bảo hiệu quả bảo vệ ăn mòn của màng phủ.
Chất tạo màng etyl silicat đƣợc sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng nhiệt độ
cao và chịu ăn mòn. Màng phủ etyl silicat giàu kẽm cho sự bảo vệ sắt thép chống lại
sự ăn mòn tốt và khả năng chịu nhiệt độ lên tới 400oC.[17]
Sơn etyl silicat kẽm có thể đƣợc thi công bằng phƣơng pháp phun có hoặc
không có không khí trực tiếp lên bề mặt đã đƣợc làm sạch. Loại sơn này ít khi đƣợc

16



LuËn v¨n tèt nghiÖp

Vò ThÞ Dung CNVL Polyme 2008 - 2010

thi công bằng phƣơng pháp dàn trải hoăc lô. Màng sơn có chiều dày từ 15 ÷ 20 µm
tới 50 ÷ 70 µm và có thể lên tới 100 µm cho sơn đơn lớp. Các thành phần của sơn 2
cấu tử phải đƣợc khuấy sau khi trộn để ngăn chặn sự sa lắng.
Màng sơn etyl silicat kẽm có thể đƣợc bao phủ bởi nhiều hệ sơn phủ. Điều
này là rất cần thiết trong môi trƣờng axit hoặc kiềm để ngăn chặn kẽm khỏi sự tấn
công. Ngoài ra loại chất tạo màng etyl silicat cũng là loại sử dụng phù hợp cho sơn
chịu UV.
1.2.6. Cơ chế đóng rắn của màng phủ silicat giàu kẽm [11, 21].
Màng phủ vô cơ giàu kẽm trên cơ sở etyl silicat đã thuỷ phân có bản chất tự
đóng rắn. Sự đóng rắn của màng phủ này khác với sự đóng rắn của màng phủ silicat
vô cơ trên cơ sở silicat của kim loại kiềm.
Trong màng phủ silicat kiềm hệ nƣớc, nƣớc bị mất đi trong suốt quá trình
đóng rắn. Trong khi đó màng phủ trên cơ sở etyl silicat sự đóng rắn bao gồm phản
ứng thuỷ phân trùng ngƣng theo hai giai đoạn sau:
- Giai đoạn 1 tuân theo phản ứng nhƣ sau:

- Giai đoạn 2: Sản phẩm của phản ứng trên tham gia phản đa tụ trùng ngƣng
nhƣ sau:

17


LuËn v¨n tèt nghiÖp


Vò ThÞ Dung CNVL Polyme 2008 - 2010

Trong suốt quá trình đóng rắn, dung môi bị mất đi do quá trình bay hơi dung
môi dẫn đến sự cô đặc của hỗn hợp etyl silicat.
Hơi ẩm và khí cabonic trong không khí phản ứng với nhau theo phản ứng
H O + CO 2
2

H CO
2 3

Axit cacbonic này là nguyên nhân gây ra sự ion hoá kẽm trên bề mặt các hạt
kẽm. Nƣớc mang tính axit sẽ giúp cho quá trình thuỷ phân hoàn toàn chất tạo màng
đã thuỷ phân trƣớc tạo thành axit silicic nhƣ sau:

Ion kẽm sau đó phản ứng với nhóm silanol trên phân tử silicat trong cấu trúc
gel silicat.

18


LuËn v¨n tèt nghiÖp

Vò ThÞ Dung CNVL Polyme 2008 - 2010

Tại thời điểm này một số phản ứng giữa axit poly silicic và bề mặt thép cũng
đƣợc thực hiện và hình thành liên kết hoá học. Liên kết này ngăn chặn sự xâm nhập
của hơi ẩm và sự phồng rộp của màng sơn nhƣ trong trƣờng hợp màng phủ hữu cơ.
Các phản ứng sẽ đƣợc thực hiện trong một chu kỳ dài và phụ thuộc vào môi
trƣờng mà màng phủ kẽm đƣợc áp dụng.

Độ ẩm và CO2 trong không khí tạo ra môi trƣờng axit nhẹ tạo điều kiện cho
sự thuỷ phân và sự ion hoá kẽm liên tục.
Ion kẽm phân tán sâu vào trong cấu trúc gel cho đến khi nền kẽm silicat đƣợc
hình thành xung quanh mỗi hạt kẽm kết hợp cùng với màng phủ và bề mặt của thép.

19


LuËn v¨n tèt nghiÖp

Vò ThÞ Dung CNVL Polyme 2008 - 2010

* Sự tương tác giữa nền và lớp phủ
Nền kim loại thƣờng chứa các kim loại hoặc ion các kim loại Al, Fe, Zn,...
Khi đƣa lớp phủ silicat kẽm lên bề mặt kim loại sẽ xảy ra phản ứng hóa học giữa
silicat với các kim loại hoặc ion các kim loại trền bề mặt đó, giống nhƣ liên kết của
các hạt kẽm khi phản ứng đóng rắn và hình thành màng sơn silicat kẽm. Nhƣ vậy
giữa màng sơn và nền tạo nên liên kết hóa học bền chắc, cho độ bám dính cao. Hình
1.5 thể hiện bám dính hoá học giữa đế thép và chất kết dính vô cơ silicat.

20


LuËn v¨n tèt nghiÖp

Vò ThÞ Dung CNVL Polyme 2008 - 2010

Thép

Hình 1.5. Màng sơn silicat liên kết hoá học với ion Fe của nền kim loại

Do vậy, đối với sơn lót vô cơ giầu kẽm để có tính chất bám dính tốt phụ thuộc rất
nhiều vào việc làm sạch bề mặt. Bề mặt thép cần phải làm sạch đạt đến độ nhẵn bề
mặt Sa 2 ½ [26].
1.2.7. Hiệu quả chống ăn mòn của hệ sơn vô cơ silicat-kẽm [29]
Hiệu quả bảo vệ chống ăn mòn và thế điện cực có thể dễ dàng đƣợc minh
họa bởi việc kiểm tra trở kháng. Điện thế của thép trong nƣớc biển khoảng -650
mVSCE (điện cực calomet bão hòa) và kẽm có điện thế khoảng -1050 mVSCE. Điện
thế dƣới -800 mV thì lớp phủ vẫn có khả năng bảo vệ catot. Trên mức này thì lớp
phủ chỉ cho hiệu quả che chắn. Đối với lớp sơn giàu kẽm chỉ sử dụng làm lớp lót thì
mức điện thế trong khoảng -900 và -1050 mV phụ thuộc vào dạng của chất tạo
màng, hàm lƣợng kẽm và độ dày màng sơn phủ. Hãng sơn Jotun đã nghiên cứu ảnh
hƣởng của hàm lƣợng kẽm, độ dày màng đến tính chất ăn mòn điên thế của màng
sơn. Kết quả kiểm tra đƣợc thể hiện trên hình 1.6, kết quả kiểm tra 4 mẫu sơn khác
nhau trên 4 mẫu tấm thử cho thấy sơn etyl silicat kẽm với 86% bột kẽm, độ dày
màng phủ 75m cho điện thế thấp nhất. Các tấm khác đƣợc phủ với sơn epoxy kẽm
điện thế ban đầu tƣơng tự nhau không phụ thuộc vào hàm lƣợng kẽm sử dụng và độ
dày màng sơn. Quan sát quá trình cho thấy với hàm lƣợng kẽm ảnh hƣởng nhiều
đến điện thế ăn mòn hơn so với ảnh hƣởng của chiều dày màng sơn, hàm lƣợng kẽm

21


LuËn v¨n tèt nghiÖp

Vò ThÞ Dung CNVL Polyme 2008 - 2010

cao hơn thì điện thế ăn mòn thấp hơn. Điều này đƣợc giải thích là do tính dẫn điện
tốt hơn khi hàm lƣợng kẽm cao hơn.

Hình 1.6. Sự phát triển của điện thế tính bằng mV trong 100 ngày của lớp lót

giàu kẽm với các hàm lƣợng kẽm, độ dày màng và chất tạo màng khác nhau
Sau một thời gian, tính dẫn điện giảm khi kẽm phản ứng và tạo muối thay
thế. Muối này sẽ lấp đầy các lỗ rỗng trong lớp màng và khi đó lớp sơn lót sẽ có điện
thế cao hơn cho đến khi sự bảo vệ chỉ còn lại hiệu quả che chắn. Lớp màng có độ
dày cao hơn cũng góp phần bảo vệ chống ăn mòn tốt hơn. Kết quả kiểm tra các mẫu
thí nghiệm với sơn lót epoxy tại hàm lƣợng kẽm thấp với độ dày màng khác nhau
đƣợc phơi ở bờ biển cho thấy: với bề mặt có độ dầy màng phủ 15 m thì bị lấp đầy
rỉ trên khắp bề mặt mẫu trong khi với bề mặt có độ dầy 35 m thì bắt đầu có rỉ trên
các điểm lồi nhất. Bề mặt có độ dầy lớp phủ 80m thì vẫn bảo vệ các điểm lồi nhất
và chƣa nhìn thấy hiện tƣợng ăn mòn. Tuy nhiên, hiệu quả không cao bằng khi tăng
hàm lƣợng kẽm sử dụng.

22


LuËn v¨n tèt nghiÖp

Vò ThÞ Dung CNVL Polyme 2008 - 2010

Đo điện thế là phƣơng pháp kiểm tra tốt nhất để đánh giá hiệu quả chống ăn
mòn của sơn lót giàu kẽm. Phần lớn sơn lót kẽm vẫn có đặc tính bảo vệ catot sau
100 ngày, với sơn lót sử dụng hàm lƣợng kẽm cao, độ dầy màng lớn thì đặc tính bảo
vệ catot đƣợc duy trì trên 300 ngày.

Hình 1.7: Kiểm tra điện thế trên tấm kiểm tra với thí nghiệm cào xƣớc
Với mẫu thử có vết xƣớc đƣợc tạo theo tiêu chuẩn thì chỉ sau 4 ngày điện thế
đã tăng 123 mV, trong khi mẫu không bị cào xƣớc thì phải trên 100 ngày mới có sự
tăng điện thế nhƣ vậy. Phƣơng pháp đo điện thế không chỉ hiệu quả để đánh giá lớp
sơn lót giầu kẽm, phƣơng pháp này còn dùng để đánh giá hiệu quả bảo vệ của cả hệ
sơn hệ (bao gồm lớp sơn lót, sơn trung gian, sơn phủ). Điện thế hệ sơn cao hơn hoặc

thấp hơn so với thép thì quá trình ăn mòn đều không xảy ra. Hiệu quả chống ăn mòn
của hệ sơn lót vô cơ giàu kẽm còn có thể đƣợc đánh giá bằng phƣơng pháp thử
nghiệm mù muối.[13, 28].
1.2.8. Ứng dụng [11]
Do khả năng bảo vệ ăn mòn tuyệt vời của các màng phủ này trên nền thép,
các màng phủ này đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Sau đây là một
số khu vực đƣợc ứng dụng:

23


LuËn v¨n tèt nghiÖp

Vò ThÞ Dung CNVL Polyme 2008 - 2010

1.2.8.1. Các công trình cảng. Hàng trăm các công trình dàn khoan và sản
phẩm đƣợc sơn phủ với sơn vô cơ giàu kẽm silicat, ở các vị trí có độ ẩm cao trong
vùng khí hậu nhiệt đới của Indonesia, Singapo, Mỹ và trải dài tới vùng Arctic của
biển Alaska và các biển phía bắc. Màng phủ vô cơ trên cơ sở etyl silicat đã thuỷ
phân đƣợc sử dụng riêng lẻ hoặc cùng với lớp sơn phủ khác.
1.2.8.2. Cầu đường. Cầu cũng nhƣ các công trình ngoài bờ biển có thể bị hƣ
hại nghiêm trọng do sự ăn mòn, có thể với rất nhiều công trình cầu đƣợc hình thành
từ các cấu trúc thép, với các góc cạnh, các kẽ hở và các khuyết tật bề mặt ở trong
các hình dạng. Một cây cầu đƣợc sơn phủ sớm nhất là cầu Draw bắc ngang qua
sông Tidal ở Florida. Cầu đƣợc sơn phủ vào năm 1956 với các phần khó nhất của
cấu trúc cũng đƣợc bảo vệ đầy đủ. Nó vẫn đƣợc bảo vệ tốt bởi lớp sơn phủ đầu tiên
từ kẽm silicat vô cơ. Các cầu khác nhƣ cầu Baleman ở Tasmania đƣợc sơn phủ để
cách ly, cầu cổng vàng ở đƣờng ống Morgan Whylla là những ví dụ về sự bảo vệ
của sơn vô cơ giàu kẽm trong nhiều năm.
1.2.8.3. Trong vùng chứa năng lượng hạt nhân. Một ứng dụng hấp dẫn khác

của sơn vô cơ giàu kẽm silicat là sự bảo vệ ở vùng năng lƣợng hạt nhân. Bề mặt
thép trong các thiết bị phản ứng yêu cầu sơn phủ với thời gian sống mong muốn là
40 năm. Do đó với hy vọng là màng sơn có độ bền cao và không phải sơn lại khi hệ
thống đi vào hoạt động. Sơn lót vô cơ giàu kẽm trên cơ sở alkyl silicat đƣợc sử
dụng trong các ứng dụng hạt nhân với nhiều lý do. Các lớp sơn lót này phải có
chiều dày tối thiểu là 3.0 mil, các màng phủ này không bị tác động bởi các tia γ và
các tia sinh ra từ sự bắn phá hạt nhân.
1.2.8.4. Sơn các bể chứa. Đây là một trong các lĩnh vực chủ yếu sử dụng sơn
vô cơ giàu kẽm, bao gồm các thùng vận chuyển, đặc biệt là vận chuyển nhiên liệu.
Sơn vô cơ giàu kẽm silicat phù hợp cho việc sơn phủ các tank chứa các sản phẩm
dầu mỏ, nhiên liệu, chất bôi trơn, các loại dung môi, hydro cacbon clo hoá…

24