Dự Án nghiên cứu gia công, chế tạo sản phẩm polymer tên Đề tài nghiên cứu Ảnh hưởng của nano silica Đến tính chất của lớp phủ acrylic

KHOA HÓAPBL 2: DỰ ÁN NGHIÊN CỨU GIA CÔNG, CHẾ TẠO SẢN PHẨM POLYMER Tên đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của nano silica đến tính chất của lớp phủ acrylic GVHD: TS.. Từ những yêu cầu thực tiễ

KHOA HÓA

PBL 2: DỰ ÁN NGHIÊN CỨU GIA CÔNG, CHẾ TẠO SẢN PHẨM POLYMER Tên đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của nano silica đến tính chất của lớp phủ acrylic

GVHD: TS Phan Thị Thúy Hằng Thành viên nhóm:

Nguyễn Long Hải

Võ Thiện Thành Nguyễn Quý Trung Hiếu

1

Đặt vấn đề

Sơn acrylic là một trong những loại vật liệu phủ phổ biến, được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như xây dựng, bảo vệ bề mặt, và công nghiệp sơn Hiện nay, công nghệ nano có thể tạo ra nhiều loại vật liệu có kích thước nhỏ như nano silica, nó đã mang lại nhiều đặc tính vượt trội cho sơn acrylic, có thể cải thiện, gia cường tính chất cơ học, nâng cao tính năng cơ lý màng phủ nhựa acrylic

Từ những yêu cầu thực tiễn và tiềm năng ứng dụng của vật liệu này, nghiên cứu "Ảnh hưởng của nano silica đến tính chất của lớp phủ acrylic" được tiến hành với mục tiêu tìm hiểu và đánh giá tác động của nano silica đến các tính chất cơ lý, hóa học và độ bền của lớp phủ acrylic.

Tổng quan

lý thuyết

nhựa acrylic

• Thuật ngữ acrylic được dùng để chỉ các polymer được tổng hợp trên cơ

sở các monomer là ester của acrylic hoặc methacrylic acid và các acid này Hiện tại nhựa acrylic được sử dụng làm chất tạo màng phổ biến nhất trong sơn công nghiệp cũng như dân dụng

• Ưu điểm chính của nhựa acrylic là không màu, trong suốt, không bị vàng hóa thậm chí khi chịu nhiệt độ cao trong thời gian dài, bền ánh sáng và thủy phân

• Ba dạng chính của polymer acrylic được sử dụng trong công nghiệp sơn

là nhựa acrylic nhiệt dẻo (thermoplastic acrylic: TPA), nhựa acrylic nhiệt rắn (thermosetting acrylic: TSA) và latex acrylic

2.2 Sự hình thành màng sơn

• Quá trình hình thành màng từ dung dịch polyme là một quá trình tương đối đơn giản vì polyme ở trạng thái hòa tan Các giọt phun lan ra trên bề mặt nền và khi dung môi bốc hơi, các chuỗi polyme sẽ thâm nhập vào nhau, đi qua trạng thái gel sau đó tạo thành màng khi sấy khô

• Tốc độ bay hơi dung môi là yếu tố quan trọng trong quá trình hình thành màng đối với cả dung dịch polyme và phân tán Nếu dung môi bay hơi quá chậm, chất nền sẽ bị ướt quá mức và trong trường hợp cực đoan, bắt đầu hòa tan Ngược lại, nếu dung môi bay hơi quá nhanh, các giọt chứa polymer có thể khô trước khi va chạm vào bề mặt chất nền hoặc lan rộng trên bề mặt

Quá trình hình thành màng Ảnh hưởng của sức căng bề mặt

• Silica hay silic dioxide (SiO2) không tồn tại ở dạng từng phân tử riêng lẻ mà dưới dạng tinh thể Ba dạng tinh thể của silic dioxide ở áp suất thường là thạch anh, tridymite và cristobalite.

• Tất cả những dạng tinh thể này đều bao gồm những nhóm tứ diện SiO4 nối với nhau qua những nguyên tử O chung Trong tứ diện SiO4, nguyên tử Si nằm ở tâm của tứ diện liên kết cộng hóa trị với bốn nguyên tử O nằm ở các đỉnh của tứ diện

2.3.1 Các phương pháp tổng hợp nano silica

Phương pháp hun khói và muội nano silica

Phương pháp phun khói là phương pháp tổng hợp silica từ quá trình thủy phân một silica halogen (thường là silic tetraclorua – SiCl4) Silic và khí HCl khô được phản ứng để tạo thành tetraclorua silic, sau đó được trộn với hydro và không khí và được đưa vào ống đốt của lò phản ứng, nơi xảy ra các phản ứng sau:

2H2 + O2 → 2H2O SiCl4 + 2H2O → SiO2 + 4HCl

2.3.1 Các phương pháp tổng hợp nano silica

Phương pháp kết tủa

Đối với silica gel, sản phẩm được sản xuất dựa theo phản ứng sau:

Na2O(SiO2)x + H2SO4 → xSiO2 + Na2SO4 + H2O Sản phẩm phản ứng chứa khoảng 75% nước và được xử lý qua quá trình sấy khô Quá trình sấy diễn ra trong lò quay, tiếp theo là nghiền vật liệu.

Phương pháp Sol-Gel

Phương pháp sol-gel, là kỹ thuật thường được sử dụng để sản xuất nanosilica, liên quan đến sự phát triển của các mạng lưới thông qua sự sắp xếp của huyền phù keo (sol) và sự tạo gel để tạo thành một hệ thống trong pha lỏng liên tục (gel)

Trong trường hợp các alkoxide silica, phản ứng xúc tác axit dẫn đến các polyme mạch thẳng có liên kết ngang yếu Các polyme này vướng vào nhau và tạo thành các nhánh bổ sung dẫn đến sự tạo gel Trong khi

đó, phản ứng xúc tác bazơ, do thủy phân và ngưng tụ nhanh chóng của các silane alkoxide, tạo thành các cụm phân nhánh cao Quy trình chung của sol-gel bao gồm bốn giai đoạn, cụ thể là thủy phân, ngưng tụ, phát triển

và kết tụ.

Thủy phân: Si–(OR)4 + H2O Si–(OR) ⇌ 3(OH) + ROH

Ngưng tụ: (OR)3–Si-OH + HO–Si–(OR)3 → [(OR)3Si–O–Si(OR)3] + H2O

• Độ bám dính: khảo sát theo tiêu chuẩn ASTM D 3359 bằng Bộ dụng kiểm tra độ bám dính màng sơn BEVS 2202/2C.

• Độ cứng màng sơn: khảo sát theo tiêu chuẩn ASTM D 3363 bằng thiết bị đo độ cứng bút chì BGD 506/3

• Độ bền uốn: khảo sát theo tiêu chuẩn ASTM D522 bằng thiết bị đo độ bền uốn BGD 564

• Độ bền môi trường của màng sơn: Ngâm mẫu trong các môitrường cồn 50% và nước muối 5% và ghi lại sự thay đổi khối lượng theo thời gian theo tiêu chuẩn ASTM D-1308

Nghiên cứu thực nghiệm

• Chất tạo màng: nhựa Acrylic được cung cấp bởi TS Dương Thế Hy

• Chất độn: nanosilica được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm Polymer, trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

• Dung môi: Xylene và Toluen được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm Polymer, trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

• Cồn: được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm Polymer, trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng.

• Dụng cụ đo bám dính BEVS 2202/2C được sử dụng tại Phòng thí nghiệm Polymer, trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

• Dụng cụ đo độ cứng bút chì BGD 506/3 được sử dụng tại Phòng thí nghiệm Polymer, trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

• Máy siêu âm Sonics VC 750 (USA) được sử dụng tại Phòng thí nghiệm Polymer, trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

Ảnh máy

Ảnh máy Ảnh máy

• Cho nano silica vào nhựa acrylic cùng với dung môi rồi khuấy đều, sau đó phân tán bằng sóng siêu âm truyền trực tiếp bằng thiết bị siêu âm

• Tiến hành phân tán silica với nhựa acrylic với tỉ lệ về khối lượng của nano silica

so với nhựa lần lượt thay đổi như sau: 0%; 0,2%; 0,4%, 0,6%, 0,8%; 1% ở nhiệt

độ phòng trong thời gian 45 phút với tần số 60% để khảo sát độ bền cơ lý của màng phủ

3.3.2 Phương pháp gia công tạo mẫu màng phủ nhựa

Chuẩn bị bề mặt nền

• Cắt các tấm thép với độ dày 0,5mm và kích thước 4x8cm

• Sau khi cắt, bề mặt của các tấm thép thường không được phẳng mịn và có thể còn sót lại các vết xước, gỉ sét, mài bề mặt để loại bỏ các khuyết tật này

• Để đảm bảo độ bám dính tốt của các lớp phủ tiếp theo, bề mặt thép phải được làm sạch hoàn toàn bằng cách rửa bằng nước và cồn sau đó lau sạch, để khô

Ảnh tôn qua xử lý

Chuẩn bị mẫu màng phủ nhựa

• Hỗn hợp acrylic sau khi siêu âm, để yên trong khoảng 15 phút để lắng các bọt khí

• Tiến hành quét sơn lên bề mặt thép đã chuẩn bị bằng phương pháp chổi quét

• Sau khi sơn xong, đem mẫu đi bảo quản trong 7 ngày ở nhiệt độ phòng rồi tiến hành đo các tính chất đặc trưng cơ lý của màng phủ

Ảnh tôn quét sơn

3.3.3 Phương pháp khảo sát tính chất cơ lý

Khảo sát độ bám dính

Quy trình đo:

‐ Thực hiện cắt các vết cắt dài khoảng 20 mm Cắt qua màng đến lớp nền bằng một chuyển động đều đặn, chỉ sử dụng đủ áp lực lên dụng cụ cắt để lưỡi cắt tiếp xúc với lớp nền Thực hiện các vết cắt ở góc 90° và tập trung vào các vết cắt ban đầu

‐ Đặt tâm của băng dính lên vết cắt và trong khu vực của vết cắt Chà xát mạnh lên bề mặt của băng dính cho đến khi màu sắc đồng đều

‐ Trong vòng 90 ± 30 giây sau khi dán băng dính, hãy loại bỏ băng dính bằng cách nắm lấy đầu và cuối băng dính và kéo nhanh trở lại ở góc gần 180° nhất có thể

‐ Kiểm tra khu vực bằng kính lúp chiếu sáng Đánh giá độ bám dính theo thang điểm sau

Ảnh mẫu đo

3.3.3 Phương pháp khảo sát tính chất cơ lý

Khảo sát độ bám dính

‐ Đặt tấm mẫu lên bề mặt phẳng, ngang.

‐ Bắt đầu với bút chì cứng nhất, giữ bút chì nghiêng 45 độ so với bề mặt lớp phủ và đẩy về phía trước Áp lực đều và đủ để cắt hoặc xước lớp phủ hoặc làm mẻ đầu chì

Độ dài vạch tối thiểu là 6.5mm

‐ Tiếp tục quá trình với các bút chì mềm hơn cho đến khi tìm thấy bút chì không thể cắt xuyên qua lớp phủ đến lớp nền ít nhất 3mm

3.3.3 Phương pháp khảo sát tính chất cơ lý

Khảo sát độ bền uốn

• Dụng cụ đo : Thiết bị đo độ bền uốn BGD 564

• Phương pháp đo: Độ bền uốn được đo theo tiêu chuẩn ASTM D522

• Quy trình đo:

‐ Đặt mẫu thử giữa trục và thanh kéo, với mặt hoàn thiện hướng về phía thanh kéo Kẹp chặt mẫu thử ở vị trí thẳng đứng, cạnh dài của mẫu thử nằm phía sau thanh kẹp, sao cho mẫu luôn được đặt gần đầu hẹp của trục

‐ Di chuyển cần điều khiển khoảng 180° với tốc độ đều để uốn cong mẫu thử khoảng 135°

‐ Kiểm tra ngay lập tức bề mặt cong của mẫu thử bằng mắt thường để phát hiện vết nứt

‐ Đo khoảng cách từ điểm cuối của vết nứt đến đầu nhỏ của trục Đường kính trục tại điểm nứt ngừng được coi là giá trị kháng nứt

Khảo sát độ bền môi trường

• Chuẩn bị mẫu: Sử dụng tấm thép đã sơn cả 2 mặt và các cạnh rồi đem đi bảo quảntrong 7 ngày để cân chính xác 0,001mg các mẫu cần khảo sát, khối lượng đo được gọi là M0

• Tiến hành ngâm mẫu: Ngâm mẫu ngập 50% chiều cao của tấm thép trong các môitrường khác nhau theo tiêu chuẩn ASTM D-1308: cồn (50% thể tích), nước muối 5% và khảo sát mẫu theo thời gian Ta ngâm mẫu trong vòng 24 giờ sau đó lấy mẫu đem đi sấy ở 80°C trong 1 tiếng rồi đem cân, khối lượng đo được gọi là M1.Đánh giá kết quả: Tổn thất khối lượng được tính theo tiêu chuẩn ASTM G 31-72

và ASTM G1-90

3.3.3 Phương pháp khảo sát tính chất cơ lý

Khảo sát độ bền môi trường

Kết quả nghiên cứu

0.0% 0.2% 0.4% 0.6% 0.8% 1.0%

0B 1B 2B 3B 4B

Từ kết quả khảo sát cho thấy, tất cả các mẫu màng phủ đều không nứt gãy ở đường kính trục nhỏ nhất là 2mm Vì thang đo của thiết bị đo không đủ để làm mẫu xuất hiện nứt gãy, nên không thể đánh giá được ảnh hưởng của SiO2 lên độ bền uốn của màng phủ

Mẫu đo độ bền uốn: 0% SiO 2 (a), 0,2% SiO 2 (b), 0,4% SiO 2 (c), 0,6% SiO 2 (d), 0,8 % SiO 2 (e), 1% SiO 2 (f)

• Đối với mẫu 0,6-1% SiO2, % thay đổi khối lượng ngừng thay đổi kể từ ngày thứ 8,

% thay đổi khối lượng của mẫu 0,2-0,4% SiO2 ngừng thay đổi kể từ ngày thứ 9, trong khi đó % thay đổi khối lượng của mẫu 0% SiO2 vẫn tiếp tục tăng sau ngày thứ 10

4.4.2 Môi trường nước muối 5%

• Khi tăng hàm lượng SiO2 trong lớp phủ thì % thay đổi khối lượng có xu hướng giảm dần

• Đồ thị biểu diễn cho thấy % khối lượng của mẫu tăng mạnh trong 5 ngày đầu,

và tăng nhẹ ở các ngày tiếp theo

• Đối với mẫu 0,8-1% SiO2, % thay đổi khối lượng ngừng thay đổi kể từ ngày thứ 5

• % thay đổi khối lượng của mẫu 0,2-0,6% SiO2 ngừng thay đổi kể từ ngày thứ 8

• % thay đổi khối lượng của mẫu 0% SiO2 chỉ ngừng thay đổi ở ngày thứ 9

• Dựa vào mục tiêu và nội dung đề tài, sau khi tiến hành thực hiện và hoàn thành đề tài, nhóm đưa ra một số kết luận sau:

• Nano silica được phân tán thành công vào bên trong nhựa acrylic có chứa dung môi xylene và toluen bằng phương pháp siêu âm nhằm tạo lớp phủ nanocomposite trên bề mặt kim loại có thể giúp cải thiện và nâng cao các tính chất cơ lý của màng phủ

• Xác định được khả năng gia cường của nano silica đối với các tính chất cơ lý riêng biệt

• Độ bám dính đối với các mẫu thử có nano silica đều đạt chuẩn tối đa 5B

• Độ cứng của màng phủ xác định bằng thiết bị đo độ cứng bút chì khi hàm lượng nano silica là 0,6%; 0,8% và 1% tăng từ 1H lên 2H

• Độ bền môi trường của các mẫu có sử dụng nano silica cũng được cải thiện rõ rệt so với mẫu màng phủ không có nano silica

phủ, ở đây ta có thể sử dụng phương pháp uốn 3 điểm hoặc 4 điểm theo tiêu chuẩn ASTM D790

• Khảo sát thêm các tính chất cơ lý khác như độ bền va đập, độ mài mòn, độ bền xước, khả năng chống cháy,…