Luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu tổ hợp vật liệu sơn chịu nhiệt trên cơ sở nhựa silicon và định hướng sử dụng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:158

Thêm vào BST

Báo xấu

59
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Hóa học "Nghiên cứu tổ hợp vật liệu sơn chịu nhiệt trên cơ sở nhựa silicon và định hướng sử dụng" trình bày việc chế tạo sơn chịu nhiệt trên cơ sở nhựa silicon và một số phụ gia chưa biến tính và đã biến tính bề mặt như nanosilica, nano zirconi oxit,… để áp dụng sơn phủ vào vỏ động cơ CT-18.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu tổ hợp vật liệu sơn chịu nhiệt trên cơ sở nhựa silicon và định hướng sử dụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- NGUYỄN BÁ NGỌC NGHIÊN CỨU TỔ HỢP VẬT LIỆU SƠN CHỊU NHIỆT TRÊN CƠ SỞ NHỰA SILICON VÀ ĐỊNH HƯỚNG SỬ DỤNG LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA HỌC HÀ NỘI – 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- NGUYỄN BÁ NGỌC NGHIÊN CỨU TỔ HỢP VẬT LIỆU SƠN CHỊU NHIỆT TRÊN CƠ SỞ NHỰA SILICON VÀ ĐỊNH HƯỚNG SỬ DỤNG Chuyên ngành: Hóa hữu cơ Mã số: 9.44.01.14 LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS. TS. Nguyễn Văn Khôi 2. TS. Trịnh Đức Công HÀ NỘI – 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là kết quả nghiên cứu của riêng tôi và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác. Các số liệu kết quả là trung thực, một số kết quả trong luận án là kết quả của tôi và cộng sự nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của GS.TS Nguyễn Văn Khôi và TS Trịnh Đức Công. Luận án được hoàn thành tại Viện Hóa học và Học viện Khoa học và Công nghệ/ Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Tác giả luận án Nguyễn Bá Ngọc
LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Nguyễn Văn Khôi và TS Trịnh Đức Công, những người thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án. Xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Hóa học, Học viện Khoa học và Công nghệ/ Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, các anh chị em đồng nghiệp Phòng Công nghệ Hóa chất – Viện Công Nghệ/ Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng đã ủng hộ, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cũng như những đóng góp về chuyên môn cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án. Cuối cùng tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, người thân và bạn bè đã luôn quan tâm, khích lệ, động viên tôi để hoàn thành bản luận án này. Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả luận án Nguyễn Bá Ngọc
i MỤC LỤC MỤC LỤC ................................................................................................................... I DANH MỤC CÁC BẢNG...................................................................................... VII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.................................................................................... X MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................................3 1.1. Giới thiệu về sơn chịu nhiệt .............................................................................3 1.1.1. Sơn chịu nhiệt trên cơ sở nhựa silicon .....................................................4 1.1.1.1. Giới thiệu về nhựa silicon .................................................................4 1.1.1.2. Phương pháp đóng rắn màng sơn silicon ..........................................6 1.1.1.3. Khả năng chịu nhiệt của sơn trên cơ sở nhựa silicon ......................11 1.1.2. Sơn silicon – thành phần chính và một số phụ gia chịu nhiệt ................12 1.1.2.1. Thành phần chính ............................................................................12 1.1.2.2. Một số phụ gia có khả năng làm tăng tính chịu nhiệt của màng sơn ......................................................................................................................14 1.1.2.3. Ảnh hưởng của quá trình xử lý bề mặt và chiều dày màng sơn đến tính chất chịu nhiệt của màng sơn ................................................................24 1.2. Biến tính nanosilica và nano zirconi oxit ứng dụng trong sơn chịu nhiệt .....26 1.2.1. Biến tính bề mặt nanosilica ....................................................................26 1.2.1.1. Tính chất ưa nước của vật liệu nanosilica .......................................26 1.2.1.2. Tăng cường khả năng kỵ nước của vật liệu nanosilica ...................27 1.2.1.3. Biến tính vật lý nanosilica ...............................................................29 1.2.1.4. Biến tính hóa học nanosilica ...........................................................29 1.2.2. Biến tính bề mặt nano zirconi oxit .........................................................33 1.3. Ứng dụng của sơn chịu nhiệt .........................................................................36 1.3.1. Cấu tạo chung của vỏ động cơ và một số loại đạn phản lực ..................36 1.3.1.1. Cấu tạo chung của động cơ phản lực ..............................................36 1.3.1.2. Cấu tạo của động cơ CT-18.............................................................37 1.3.2. Lớp phủ gốm chịu nhiệt cho buồng cháy của động cơ phản lực nhiên liệu rắn ..............................................................................................................38 1.3.3. Hệ thống chịu nhiệt của các kết cấu động cơ phản lực dòng thẳng sử dụng nhiên liệu rắn ...........................................................................................38
ii 1.3.4. Lớp sơn phủ chịu nhiệt cho tàu vũ trụ “BURAN” .................................39 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM ................................................................................41 2.1. Nguyên liệu, hóa chất, dụng cụ và thiết bị nghiên cứu..................................41 2.1.1. Nguyên liệu, hóa chất .............................................................................41 2.1.2. Dụng cụ, thiết bị nghiên cứu ..................................................................42 2.2. Phương pháp nghiên cứu ...............................................................................43 2.2.1. Phương pháp chế tạo sơn ........................................................................43 2.2.2. Chuẩn bị mẫu sơn ...................................................................................46 2.2.3. Phương pháp sơn phủ trong lòng vỏ động cơ CT-18 và đạn phản lực...46 2.2.3.1. Phương pháp xử lý bề mặt ..............................................................47 2.2.3.2. Phương pháp sơn phủ ......................................................................48 2.2.4. Các phương pháp xác định tính chất của màng sơn ...............................48 2.2.4.1. Phương pháp xác định độ cứng của màng sơn ................................48 2.2.4.2. Phương pháp xác định chiều dày màng sơn ....................................48 2.2.4.3. Xác định độ bền uốn màng sơn .......................................................48 2.2.4.4. Xác định độ bền va đập của màng sơn ............................................49 2.2.4.5. Xác định độ bám dính của màng sơn ..............................................49 2.2.4.6. Xác định độ nhớt của màng sơn ......................................................50 2.2.4.7. Xác định thời gian khô của màng sơn .............................................50 2.2.4.8. Xác định hàm lượng chất không bay hơi trong sơn ........................50 2.2.4.9. Xác định độ mịn của màng sơn .......................................................50 2.2.5. Các phương pháp kiểm tra khả năng chịu tác động môi trường của các mẫu sơn chịu nhiệt ............................................................................................50 2.2.5.1. Khả năng chịu môi trường mù muối ...............................................50 2.2.5.2. Khả năng chịu môi trường UV ........................................................51 2.2.5.3. Khả năng chịu môi trường dầu nhờn...............................................51 2.2.5.4. Khả năng chịu môi trường axit .......................................................51 2.2.5.5. Khả năng chịu môi trường kiềm .....................................................51 2.2.6. Các phương pháp khảo sát tính chất của vật liệu ...................................51 2.2.6.1. Phương pháp tán xạ ánh sáng động (DLS) .....................................51 2.2.6.2. Kính hiển vi điện tử quét FE-SEM .................................................52 2.2.6.3. Phép đo nhiễu xạ tia X (XRD) ........................................................52
iii 2.2.6.4. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)...............................................52 2.2.6.5. Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng TGA..............................53 2.2.6.6. Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) ..................53 2.2.7. Biến tính bề mặt nanosilica và nano zirconi oxit bằng polydimetyl siloxan (PDMS) ................................................................................................53 2.2.8. Các phương pháp thử nghiệm khả năng chịu nhiệt của màng sơn silicon ..........................................................................................................................55 2.2.8.1. Phương pháp thử nghiệm khả năng chịu nhiệt của màng sơn ........55 2.2.8.2. Thử nghiệm trên vỏ động cơ CT-18................................................58 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................59 3.1. Khảo sát, lựa chọn thành phần chế tạo sơn chịu nhiệt ...................................59 3.1.1. Khảo sát tính chất bột nhũ nhôm ............................................................59 3.1.2. Khảo sát tính chất bột độn TiO 2 .............................................................62 3.1.3. Khảo sát tính chất của bột nanosilica .....................................................66 3.1.4. Khảo sát tính chất của bột nano zirconi oxit ..........................................69 3.1.5. Khảo sát tính chất của nhựa silicon ........................................................73 3.2. Nghiên cứu biến tính bề mặt nanosilica và nano zirconi oxit bằng PDMS ...74 3.2.1. Biến tính bề mặt nanosilica ....................................................................74 3.2.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình biến tính bề mặt nanosilica 74 3.2.1.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng nanosilica và PDMS đến quá trình biến tính bề mặt nanosilica ...........................................................................76 3.2.1.3. Đặc trưng tính chất của bột nanosilica biến tính .............................77 3.2.2. Biến tính bề mặt nano zirconi oxit .........................................................80 3.2.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình biến tính bề mặt nano zirconi oxit ................................................................................................................80 3.2.2.2. Ảnh hưởng của của tỷ lệ khối lượng nano zirconi oxit và PDMS đến quá trình biến tính bề mặt nano zirconi oxit..........................................82 3.2.2.3. Đặc trưng tính chất của bột nano zirconi oxit biến tính ..................83 3.3. Chế tạo sơn chịu nhiệt và nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của màng sơn ........................................................................................................87 3.3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ bột nhũ nhôm và bột TiO 2 đến khả năng chịu nhiệt và một số tính chất cơ lý của màng sơn trên cơ sở nhựa silicon
iv ..........................................................................................................................87 3.3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng chiều dày lớp sơn phủ đến khả năng chịu nhiệt của màng sơn ....................................................................................................90 3.3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình sấy đến tính chất của màng sơn ..91 3.3.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng nanosilica đến khả năng chịu nhiệt và tính chất cơ lý của màng sơn ..............................................................93 3.3.5. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng nano zirconi oxit đến khả năng chịu nhiệt và tính chất cơ lý của màng sơn ......................................................98 3.3.6. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng hỗn hợp nanosilica và nano zirconi oxit chưa biến tính đến khả năng chịu nhiệt và tính chất cơ lý của màng sơn...................................................................................................................102 3.3.7. Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ hàm lượng hỗn hợp nanosilica biến tính và nano zirconi oxit biến tính đến khả năng chịu nhiệt của màng sơn...........106 3.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ trong quá trình sơn phủ đến tính chất cơ lý của màng sơn ........................................................................111 3.4.1. Ảnh hưởng của quá trình xử lý bề mặt đến tính chất cơ lý màng sơn phủ ........................................................................................................................111 3.4.2. Ảnh hưởng của chiều dày màng sơn phủ đến tính chất cơ lý màng sơn ........................................................................................................................112 3.4.3. Ảnh hưởng của quá trình sấy đến sự hình thành màng sơn phủ trong động cơ CT-18 ................................................................................................113 3.5. Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện môi trường bên ngoài đến màng sơn silicon ..................................................................................................................116 3.5.1. Khả năng chịu môi trường mù muối của màng sơn silicon..................116 3.5.2. Khả năng chịu môi trường UV của màng sơn silicon ..........................117 3.5.3. Khả năng chịu môi trường dầu nhờn, kiềm, axit của màng sơn silicon ........................................................................................................................117 3.6. Bảng chỉ tiêu kỹ thuật của sơn chịu nhiệt trên cơ sở nhựa silicon ..............118 3.7. Định hướng sử dụng của sơn chịu nhiệt trên cơ sở nhựa silicon .................119 3.7.1. Thử nghiệm khả năng chịu nhiệt của màng sơn silicon trên tấm mẫu thép .................................................................................................................119 3.7.2. Thử nghiệm sơn phủ trên vỏ động cơ CT-18 .......................................122
v 3.7.2.1. Thử nghiệm thực tế lớp sơn chịu nhiệt sử dụng hỗn hợp nanosilica và nano zirconi oxit chưa biến tính ............................................................122 3.7.2.2. Thử nghiệm thực tế lớp sơn chịu nhiệt sử dụng hỗn hợp nanosilica và nano zirconi oxit đã biến tính ................................................................124 KẾT LUẬN .............................................................................................................127 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN .......................................................128 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN.........129 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................130 PHỤ LỤC ................................................................................................................140
vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT TT Viết tắt Tiếng việt Tiếng Anh 1 PDMS Polydimetyl siloxan Polydimethyl siloxane 2 PMHS Polymetyl hydro siloxan Polymethyl hydro siloxane 3 PPL Poly propylen mạch thẳng Polypropylene liner 4 TES Tetraetyl silicat Tetraethyl silicate 5 DMC Dimetyl cacbonat Dimethyl carbonate Cetyl trimethylamoni 6 CTAB Cetyl trimetylamoni bromua bromide Amino propyl trimethoxy Amino propyl trimethoxy 7 APS silan silane Tetragonal zirconia 8 TZP Vật liệu gốm zirconia polycrystal 9 UV Tia cực tím Ultraviolet 10 XRD Phép đo nhiễu xạ tia X X-ray diffraction Energy-dispersive X-ray 11 EDX Phổ tán xạ năng lượng tia X spectroscopy Fourier-transform infrared 12 FTIR (IR) Phổ hồng ngoại Fourier spectroscopy Phương pháp tán xạ ánh 13 DLS Dynamic Light Scattering sáng động Kính hiển vi điện tử quét Field Emission Scanning 14 FE-SEM phân giải cao Electron Microscopy Derivative 15 DTG Phân tích nhiệt trọng lượng Thermogravimetry Thermogravimetric 16 TGA Phân tích nhiệt trọng lượng Analysis 17 TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam Vietnam Standards 18 PP1 Phương pháp 1 - 19 PP2 Phương pháp 2 -
vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Một số dòng sản phẩm sơn chịu nhiệt trên thị trường ................................3 Bảng 1.2. So sánh thời gian bán hủy ước tính của một số nhóm chức liên kết cộng hóa trị với Si ..............................................................................................................11 Bảng 1.3. Thành phần sơn sử dụng hỗn hợp oxit kim loại .......................................22 Bảng 1.4. Thành phần sơn sử dụng silicon ...............................................................22 Bảng 1.5. Sơn chịu nhiệt cao loại 1...........................................................................23 Bảng 1.6. Khả năng chịu nhiệt của một số loại sơn silicon ......................................25 Bảng 3.1. Thành phần hóa học của bột nhũ nhôm ZQ-40813 ..................................61 Bảng 3. 2. Thành phần hóa học của bột độn TiO 2 mác R996 ..................................65 Bảng 3.3. Thành phần hóa học của bột nanosilica Nanopraticle Labs .....................68 Bảng 3.4. Thành phần hóa học của bột nano zirconi oxit Nanoparticle Labs ..........72 Bảng 3.5. Kết quả phân tích chỉ tiêu kỹ thuật của nhựa polymetyl phenyl siloxan ..73 Bảng 3.6. Thành phần hóa học của bột nanosilica biến tính .....................................79 Bảng 3.7. Thành phần hóa học của bột nano zirconi oxit biến tính ..........................85 Bảng 3.8. Đơn công nghệ chế tạo sơn chịu nhiệt trên cơ sở nhựa silicon ................87 Bảng 3.9. Ảnh hưởng của hàm lượng bột nhũ nhôm/TiO 2 đến khả năng chịu nhiệt của màng sơn .............................................................................................................87 Bảng 3.10. Ảnh hưởng của hàm lượng bột nhũ nhôm/TiO 2 trong sơn silicon đến một số tính chất cơ lý của màng sơn .........................................................................89 Bảng 3.11. Đơn công nghệ chế tạo sơn chịu nhiệt theo mẫu M Al12Ti9 ......................90 Bảng 3.12. Ảnh hưởng chiều dày lớp sơn phủ đến khả năng chịu nhiệt của màng sơn M Al12Ti9 ...............................................................................................................91 Bảng 3.13. Thành phần các đơn nghiên cứu sơn silicon với hàm lượng nanosilica khác nhau...................................................................................................................94
viii Bảng 3.14. Ảnh hưởng của hàm lượng nanosilica đến khả năng chịu nhiệt của màng sơn .............................................................................................................................94 Bảng 3.15. Ảnh hưởng của hàm lượng nanosilica trong sơn silicon đến một số tính chất cơ lý của màng sơn ............................................................................................97 Bảng 3.16. Thành phần các đơn nghiên cứu sơn silicon với hàm lượng nano zirconi oxit khác nhau ...........................................................................................................98 Bảng 3.17. Ảnh hưởng của hàm lượng nano zirconi oxit đến khả năng chịu nhiệt của màng sơn .............................................................................................................99 Bảng 3.18. Ảnh hưởng của hàm lượng nano zirconi oxit trong sơn silicon đến một số tính chất cơ lý của màng sơn ..............................................................................101 Bảng 3.19. Thành phần đơn nghiên cứu sơn silicon với hàm lượng hỗn hợp nanosilica và nano zirconi oxit chưa biến tính khác nhau ......................................102 Bảng 3.20. Ảnh hưởng của hàm lượng hỗn hợp nanosilica và nano zirconi oxit chưa biến tính đến khả năng chịu nhiệt của sơn silicon ..................................................103 Bảng 3.21. Ảnh hưởng của hàm lượng nanosilica và nano zirconi oxit chưa biến tính đến một số tính chất cơ lý của màng sơn .........................................................106 Bảng 3.22. Thành phần các đơn nghiên cứu sơn silicon với hàm lượng hỗn hợp nanosilica và nano zirconi oxit biến tính khác nhau ...............................................107 Bảng 3.23. Ảnh hưởng của hàm lượng hỗn hợp nanosilica và nano zirconi oxit đã biến tính đến khả năng chịu nhiệt của màng sơn silicon.........................................107 Bảng 3.24. Đơn nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ trong quá trình sơn phủ đến tính chất cơ lý của màng sơn ..............................................................111 Bảng 3.25. Ảnh hưởng của quá trình xử lý bề mặt đến tính chất cơ lý của màng sơn silicon ......................................................................................................................112 Bảng 3.26. Ảnh hưởng chiều dày màng sơn phủ đến các tính chất cơ lý của màng sơn ...........................................................................................................................113 Bảng 3.27. Ảnh hưởng của quá trình sấy đến sự hình lớp màng phủ trong động cơ CT-18 ......................................................................................................................114
ix Bảng 3.28. Chỉ tiêu kỹ thuật của sơn chịu nhiệt silicon (theo mẫu M Si0,45Zr1,05BT ) .119 Bảng 3.29. Kết quả thử nghiệm khả năng chịu nhiệt màng sơn bằng ngọn lửa đèn khò axetylen đối với các loại sơn khác nhau ..........................................................120
x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Cơ chế đóng rắn bằng hơi nước ..................................................................7 Hình 1.2. Quá trình đóng rắn bằng hơi nước của sơn silicon (theo công bố của nhà sản xuất GA Lindberg ChemTech) .............................................................................7 Hình 1.3. Cơ chế đóng rắn bằng nhiệt độ ...................................................................8 Hình 1.4. Polydimetyl siloxan với nhóm cuối hydroxyl .............................................9 Hình 1.5. Sơ đồ phản ứng đóng rắn ngưng tụ .............................................................9 Hình 1.6. Phản ứng giữa gốc tự do với phân tử polymetyl vinyl siloxan .................10 Hình 1.7. Phản ứng tạo cầu nối etylen ......................................................................10 Hình 1.8. Quá trình oxy hóa của silicon ...................................................................11 Hình 1.9. Cấu trúc phân tử của bột nhũ nhôm ..........................................................15 Hình 1.10. Cấu trúc tinh thể rutil và anatas ..............................................................15 Hình 1.11. Cấu trúc tinh thể SiO 2 .............................................................................16 Hình 1.12. Cấu trúc ZrO 2 dạng tứ diện .....................................................................18 Hình 1.13. Minh họa khuynh hướng kết tụ của silica ...............................................27 Hình 1.14. Sơ đồ biến tính bề mặt vật liệu nanosilica ..............................................28 Hình 1.15. Sơ đồ phản ứng biến tính bề mặt nanosilica bằng hợp chất silan ...........30 Hình 1.16. Sơ đồ ghép mạch polyme vào bề mặt silica ............................................30 Hình 1.17. Sơ đồ phản ứng gắn PDMS dạng hình sao vào bề mặt silica .................30 Hình 1.18. Sơ đồ phản ứng ghép 3-(trimetoxysily)propyl metacrylat ......................31 Hình 1.19. Sơ đồ phản ứng ghép PMHS vào bề mặt silica .......................................32 Hình 1.20. Các phản ứng của quá trình biến tính hạt nano ZrO 2 .............................35 Hình 1.21. Cấu tạo vỏ động cơ phản lực ...................................................................37 Hình 1.22. Cấu tạo vỏ đạn phản lực ..........................................................................37 Hình 1.23. Khoang động cơ CT-18 ...........................................................................37 Hình 2.1. Máy khuấy đũa Eurostar 20 high speed digital – IKA…………………..42
xi Hình 2.2. Máy nghiền hạt ngọc ZM1.4DB3311 .......................................................42 Hình 2.3. Thiết bị phản ứng autoclave có lõi PPL ....................................................43 Hình 2.4. Sơ đồ quá trình công nghệ chế tạo sơn .....................................................44 Hình 2.5. Sơ đồ quy trình công nghệ sơn phủ tấm mẫu thử nghiệm ........................46 Hình 2.6. Thiết bị SE 1000FN hãng Sheen (Anh) ....................................................48 Hình 2.7. Thiết bị đo độ bền uốn màng sơn Ref. 801 hãng Sheen ...........................49 Hình 2.8. Thiết bị đo độ bền va đập màng sơn .........................................................49 Hình 2.9. Thiết bị đo độ bám dính kẻ ô màng sơn ....................................................49 Hình 2.10. Tủ khí hậu ATLAS UV/CON Model UC-327-2 ....................................51 Hình 2.11. Sơ đồ quá trình biến tính bề mặt nanosilica hoặc nano zirconi oxit bằng PDMS ........................................................................................................................55 Hình 2.12. Lò nung Nabertherm 1300oC ..................................................................56 Hình 2.13. Nhiệt kế hồng ngoại cầm tay nhiệt độ cao OS524E-SC .........................57 Hình 2.14. Sơ đồ thử nghiệm khả năng chịu nhiệt của tấm mẫu đã sơn phủ sử dụng đèn khò ôxi - axetylen theo tiêu chuẩn ASTM-E285-08 ..........................................57 Hình 2.15. Lớp sơn phủ trong lòng vỏ động cơ CT-18.............................................58 Hình 3.1. Đồ thị phân bố kích thước cỡ hạt của bột nhũ nhôm ZQ-40813………...59 Hình 3.2. Đồ thị phân bố kích thước cỡ hạt của bột nhũ nhôm GLS-65 ..................59 Hình 3.3. Hình thái cấu trúc của bột nhũ nhôm ZQ-40813 ......................................60 Hình 3.4. Kết quả phổ tán xạ năng lượng tia X – EDX của bột nhũ nhôm ZQ-40813 ...................................................................................................................................61 Hình 3.5. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X – XRD của bột nhũ nhôm ZQ-40813 ...62 Hình 3.6. Đồ thị phân bố kích thước cỡ hạt của bột độn TiO 2 mác R996 ................63 Hình 3.7. Đồ thị phân bố kích thước cỡ hạt của bột độn TiO 2 mác R5566 ..............63 Hình 3.8. Hình thái cấu trúc của bột độn TiO 2 mác R996 ........................................64
xii Hình 3.9. Kết quả phổ tán xạ năng lượng tia X – EDX của bột độn TiO 2 mác R996 ...................................................................................................................................64 Hình 3.10. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X – XRD của bột độn TiO 2 mác R996 ..65 Hình 3.11. Đồ thị phân bố kích thước cỡ hạt bột nanosilica Nanoparticle Labs ......66 Hình 3.12. Đồ thị phân bố kích thước cỡ hạt bột nanosilica mác Fusil-300 ............66 Hình 3.13. Hình thái cấu trúc của bột nanosilica Nanopraticle Labs .......................67 Hình 3.14. Kết quả phổ tán xạ năng lượng tia X – EDX của bột nanosilica Nanopraticle Labs .....................................................................................................68 Hình 3.15. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X – XRD của bột nanosilica Nanopraticle Labs ...........................................................................................................................69 Hình 3.16. Đồ thị phân bố kích thước cỡ hạt bột nano zirconi oxit Nanoparticle Labs ...........................................................................................................................70 Hình 3.17. Đồ thị phân bố kích thước cỡ hạt bột nano zirconi oxit mác XFI-013 ...70 Hình 3.18. Hình thái cấu trúc của bột nano zirconi oxit Nanoparticle Labs.............71 Hình 3.19. Kết quả phổ tán xạ năng lượng tia X – EDX của bột nano zirconi oxit Nanoparticle Labs .....................................................................................................72 Hình 3.20. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X – XRD của bột nano zirconi oxit Nanoparticle Labs .....................................................................................................73 Hình 3.21. Phổ phân tích nhiệt nhựa polymetyl phenyl siloxan ...............................74 Hình 3.22. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất của quá trình biến tính bề mặt nanosilica ...................................................................................................................75 Hình 3.23. Ảnh hưởng của tỷ lệ nanosilica/PDMS đến hiệu suất của quá trình biến tính bề mặt nanosilica................................................................................................76 Hình 3.24. Phổ hồng ngoại FT-IR của bột nanosilica biến tính và chưa biến tính ...77 Hình 3.25. Cấu trúc hình thái của bột nanosilica biến tính và chưa biến tính bề mặt ...................................................................................................................................78 Hình 3.26. Phổ tán xạ năng lượng tia X – EDX của bột nanosilica biến tính ..........79
xiii Hình 3.27. Khả năng phân tán bột nanosilica biến tính và chưa biến tính trong dung môi xylen ...................................................................................................................80 Hình 3.28. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất của quá trình biến tính bề mặt nano zirconi oxit ........................................................................................................81 Hình 3.29. Ảnh hưởng của tỷ lệ nano zirconi oxit/PDMS đến hiệu suất của quá trình biến tính bề mặt nano zirconi oxit .............................................................................82 Hình 3.30. Phổ hồng ngoại FT-IR của bột nano zirconi oxit biến tính và chưa biến tính bề mặt .................................................................................................................83 Hình 3.31. Cấu trúc hình thái của bột nano zirconi oxit biến tính và chưa biến tính bề mặt ........................................................................................................................84 Hình 3.32. Phổ tán xạ năng lượng tia X-EDX của bột nano zirconi oxit biến tính ..85 Hình 3.33. Khả năng phân tán bột nano zirconi oxit trước và sau biến tính bề mặt trong dung môi xylen ................................................................................................86 Hình 3.34. Ảnh hưởng của tỷ lệ bột nhũ nhôm/ bột TiO 2 đến tính chất nhiệt của màng sơn trên cơ sở nhựa silicon ..............................................................................88 Hình 3.35. Sơ đồ quá trình sấy với các tấm mẫu sơn phủ.........................................92 Hình 3.36. Hình ảnh tấm mẫu sơn phủ sau khi sấy...................................................92 Hình 3.37. Hình ảnh các tấm mẫu sơn phủ với hàm lượng nanosilica khác nhau sau khi thử nghiệm ở 700oC ............................................................................................95 Hình 3.38. Ảnh hưởng của hàm lượng nanosilica đến tính chất nhiệt của màng sơn ...................................................................................................................................96 Hình 3.39. Hình ảnh các tấm mẫu sơn phủ với hàm lượng nano zirconi oxit khác nhau sau khi thử nghiệm ở 900oC .............................................................................99 Hình 3.40. Ảnh hưởng của hàm lượng nano zirconi oxit đến tính chất nhiệt của màng sơn .................................................................................................................100 Hình 3.41. Hình ảnh các tấm mẫu sơn phủ với hàm lượng hỗn hợp nanosilica và nano zirconi oxit chưa biến tính khác nhau sau khi thử nghiệm ở 1050oC ............103
xiv Hình 3.42. Ảnh hưởng của hàm lượng hỗn hợp nanosilica và nano zirconi oxit chưa biến tính đến tính chất nhiệt của màng sơn. ............................................................105 Hình 3.43. Hình ảnh bề mặt màng sơn phủ của các tấm các mẫu trước và sau khi thử nghiệm sốc nhiệt dưới kính hiển vi quang học .................................................109 Hình 3.44. Ảnh hưởng của hàm lượng hỗn hợp nanosilica và nano zirconi oxit biến tính đến tính chất nhiệt của màng sơn .....................................................................110 Hình 3.45. Sơ đồ quá trình sấy lớp sơn phủ trong động cơ CT-18 .........................114 Hình 3.46. Hình ảnh lớp sơn phủ trong lòng động cơ CT-18 với các phương pháp sấy khác nhau ..........................................................................................................116 Hình 3.47. Hình ảnh kết quả thử nghiệm đánh giá khả năng chịu mù muối của màng sơn silicon ...............................................................................................................117 Hình 3.48. Hình ảnh thử nghiệm khả năng chịu tia UV của màng sơn ..................117 Hình 3.49. Hình ảnh các mẫu sơn trước khi thử nghiệm ........................................118 Hình 3.50. Hình ảnh các tấm mẫu sơn sau khi thử nghiệm môi trường dầu nhờn, kiềm, axit .................................................................................................................118 Hình 3.51. Phương pháp thử nghiệm khả năng chịu nhiệt sử dụng đèn khò axetylen .................................................................................................................................120 Hình 3.52. Kết quả thử nghiệm khả năng chịu nhiệt trên tấm mẫu bằng ngọn lửa đèn khò axetylen đối với 3 loại sơn khác nhau ..............................................................121 Hình 3.53. Hình ảnh thử nghiệm khả năng chịu nhiệt của màng sơn sử dụng đèn khò axetylen ...................................................................................................................122 Hình 3.54. Hình ảnh đốt thử nghiệm động cơ CT-18 sử dụng mẫu sơn M Si0,75Zr0,75 và mẫu sơn của Nga .....................................................................................................123 Hình 3.55. Nhiệt độ dưới đáy vỏ động cơ CT-18 trong quá trình đốt thử nghiệm .124 Hình 3.56. Hình ảnh đốt thử nghiệm mẫu động cơ CT-18 sử dụng mẫu sơn M Si0,45Zr1,05BT và mẫu sơn của Nga ..........................................................................125
1 MỞ ĐẦU Sơn chịu nhiệt là loại sơn có thể duy trì các đặc tính kỹ thuật ở nhiệt độ cao. Chúng cần thiết để bảo vệ nhiều sản phẩm và thiết bị hoạt động ở các chế độ nhiệt độ khắc nghiệt như: máy bay, tàu vũ trụ, động cơ phản lực, lò hơi, lò nung, các bộ phận và thành phần khác nhau của xe cộ, tàu hỏa,... Sự phát triển và cải tiến trong ngành sản xuất các loại sơn chịu nhiệt gắn liền với việc phát triển và tạo ra các vật liệu chịu nhiệt mới. Giống như việc phát triển máy bay với tốc độ siêu âm, tại đó nhiệt độ của lớp vỏ bọc đạt 150°C, chỉ có thể thực hiện được khi tạo ra các lớp phủ chịu nhiệt mới. Sự phát triển của ngành công nghiệp điện gắn liền với sự phát triển các loại vật liệu chịu nhiệt và cách nhiệt mới. Ngày nay, yêu cầu về tính chất cách điện của vật liệu là phải làm việc lên đến 3 năm ở 150°C. Các yêu cầu cao hơn về độ ổn định nhiệt cũng được đặt ra đối với các vật liệu cho ngành công nghệ vũ trụ ở điều kiện nhiệt độ lên đến hàng nghìn độ. Theo báo cáo mới được công bố bởi tạp chí Fior Markets, thị trường sơn nước toàn cầu được dự đoán sẽ tăng từ 74,21 tỷ USD vào năm 2019 lên 106,34 tỷ USD vào năm 2027 với tốc độ tăng trưởng hàng năm là 4,6% trong giai đoạn dự báo 2020-2027. Dưới tác động nhiệt lên màng polyme, bất kể hiệu ứng này đến từ chất nền hay từ bên ngoài, những thay đổi hóa học không thể đảo ngược trong polyme được đặc trưng bởi khả năng chịu nhiệt, xảy ra nhờ sự phá vỡ các liên kết phân tử và một phần là do tốc độ của các quá trình phản ứng. Ảnh hưởng quyết định đến khả năng chịu nhiệt là do cấu trúc của polyme, cấu trúc các chuỗi của chúng. Tùy theo cấu tạo và tính chất của nhóm nguyên tử mà các polyme có giá trị năng lượng phân ly các liên kết hóa học khác nhau, giá trị này càng cao thì polyme càng bền nhiệt. Trên thế giới và tại Việt Nam đã có một số nghiên cứu về chế tạo sơn chịu nhiệt với nhiều loại khác nhau, cả sơn vô cơ chịu nhiệt và sơn hữu cơ chịu nhiệt như các hãng sơn Nippon, Jotun, Lemax, sơn Hải Âu, sơn Đại Bàng,... nhưng chưa có loại sơn chịu nhiệt nào sử dụng đồng thời các hạt nanosilica, nano zirconi oxit chưa biến tính và đã biến tính làm phụ gia chịu nhiệt. Chính vì vậy, sơn chịu nhiệt trên cơ sở nhựa silicon được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu trong luận án: “Nghiên
2 cứu tổ hợp vật liệu sơn chịu nhiệt trên cơ sở nhựa silicon và định hướng sử dụng”. Với mục tiêu “Chế tạo sơn chịu nhiệt trên cơ sở nhựa silicon và một số phụ gia chưa biến tính và đã biến tính bề mặt như nanosilica, nano zirconi oxit,… để áp dụng sơn phủ vào vỏ động cơ CT-18”.