Nghiên cứu lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn thân thiện môi trường trên cơ sở epoxy và axit indol-3 butyric

T¹p chÝ Hãa häc, T. 45 (4), Tr. 427 - 431, 2007<br /> <br /> <br /> Nghiªn cøu líp phñ b¶o vÖ chèng ¨n mßn th©n thiÖn<br /> m«i tr êng trªn c¬ së epoxy vµ axit indol-3 butyric<br /> §Õn Tßa so¹n 11-9-2006<br /> TrÞnh Anh Tróc, Bïi TrÇn L îng, T« ThÞ Xu©n H»ng<br /> ViÖn Kü thuËt NhiÖt ®íi, ViÖn Khoa häc v- C«ng nghÖ ViÖt Nam<br /> <br /> <br /> Summary<br /> The well documented toxicity and carcinogenicity of corrosion inhibitor pigments based on<br /> chromate salts has led to a considerable research effort to identify environmentally acceptable<br /> alternatives of equivalent efficiency. In this paper, indole-3 butyric acid (IBA) was used for the<br /> improvement of the corrosion performance of an epoxy coating applied on carbon steel.<br /> Corrosion resistance of the coated steel was evaluated by electrochemical impedance<br /> spectroscopy. It was found that a small quantity (2%) of IBA significantly enhanced the protective<br /> properties of the epoxy coating by comparison with the pure epoxy. In addition, the adhesion test<br /> showed that IBA also improved the adhesion of the coating to the metal substrate.<br /> <br /> <br /> I - Më ®Çu §N cã nhiÒu c«ng tr×nh c«ng bè sö dông c¸c<br /> hîp chÊt dÞ vßng ®Ó øc chÕ ¨n mßn thÐp cacbon<br /> B¶o vÖ chèng ¨n mßn cho kim lo¹i b»ng líp cho c¸c dung dÞch tÈy röa, hiÖu qu¶ øc chÕ ¨n<br /> phñ h÷u c¬ lu«n ® îc coi l" ph ¬ng tiÖn h÷u mßn cña c¸c hîp chÊt n"y còng ®N ® îc ghi<br /> hiÖu nhÊt, kho¶ng 90% cÊu kiÖn kim lo¹i trªn nhËn [7 - 9]. Tuy nhiªn, viÖc sö dông c¸c chÊt dÞ<br /> thÕ giíi ® îc b¶o vÖ b»ng c¸c líp phñ h÷u c¬. vßng trong líp phñ h÷u c¬ vÉn cßn bÞ h¹n chÕ<br /> Trong qu¸ tr×nh vËn h"nh, hÇu hÕt c¸c cÊu kiÖn do kh¶ n¨ng hßa tan lín cña c¸c chÊt n"y trong<br /> kim lo¹i ®Òu chÞu va ®Ëp, m"i mßn g©y nªn n íc g©y bong rép m"ng.<br /> khuyÕt tËt hoÆc trÇy x íc. C¸c t¸c nh©n ¨n mßn<br /> Trong b"i b¸o n"y, chóng t«i nghiªn cøu sö<br /> nh n íc, oxy v" c¸c chÊt ®iÖn ly th êng ngÊm<br /> dông axit indole-3 butyric nh mét øc chÕ ¨n<br /> qua c¸c khuyÕt tËt ®ã g©y bong rép v" ph¸ hñy<br /> mßn trong líp phñ epoxy trªn nÒn thÐp cacbon.<br /> m"ng tõ bªn trong l"m gi¶m ®¸ng kÓ hiÖu qu¶<br /> Hîp chÊt n"y kh«ng ®éc h¹i, tan Ýt trong n íc<br /> b¶o vÖ cña m"ng. §Ó kh¾c phôc vÊn ®Ò n"y, c¸c<br /> v" th êng ® îc sö dông nh mét chÊt kÝch thÝch<br /> hÖ s¬n phñ ®Òu chøa c¸c lo¹i bét m"u øc chÕ<br /> t¨ng tr ëng thùc vËt.<br /> chèng ¨n mßn, cã t¸c dông tù h"n g¾n c¸c vÕt<br /> h háng. HiÖu qu¶ nhÊt trong c¸c lo¹i bét m"u<br /> l" c¸c hîp chÊt cromat. Tuy nhiªn, c¸c hîp chÊt II - Thùc nghiÖm<br /> crom th êng cã ®éc tÝnh cao, ® îc xem nh yÕu<br /> tè nguy hiÓm g©y « nhiÔm ®Êt v" nguån n íc v" 1. Nguyªn liÖu<br /> viÖc sö dông c¸c hîp chÊt n"y ®ang dÇn ph¶i NÒn kim lo¹i nghiªn cøu l" thÐp cacbon<br /> lo¹i bá. §N cã nhiÒu c«ng tr×nh nghiªn cøu XC35, kÝch th íc 150 × 100 × 2 mm.<br /> nh»m t×m ra c¸c hîp chÊt míi thay thÕ cromat<br /> nh sö dông c¸c bét m"u kh«ng ®éc h¹i [1 - 3], ChÊt t¹o m"ng l" nhùa epoxy Epon 828 v"<br /> sö dông c¸c chÊt øc chÕ ¨n mßn gèc h÷u c¬ [4 - chÊt ®ãng r¾n gèc amin Epikure 207, do hNng<br /> 6]. Herison (§øc) cung cÊp.<br /> <br /> 427<br />  Axit indole-3 butyric (IBA) l" lo¹i tinh khiÕt §o b¸m dÝnh: Kh¶ n¨ng b¸m dÝnh cña m"ng<br /> cña hNng Sigma-Aldrich, cã c«ng thøc cÊu t¹o s¬n ® îc x¸c ®Þnh trªn dông cô Erichsen model<br /> nh sau: 525 theo tiªu chuÈn ASTM D-4541. §é b¸m<br /> H dÝnh ® îc ®o sau khi m"ng s¬n ®N kh« ho"n<br /> N to"n (kho¶ng 7 ng"y sau khi t¹o mÉu).<br /> 3. ChuÈn bÞ mÉu<br /> MÉu thÐp ® îc l"m s¹ch dÇu mì b»ng x"<br /> phßng, röa s¹ch b»ng n íc v" lau l¹i b»ng dung<br /> m«i xylen, röa s¹ch b»ng n íc cÊt, etanol, sÊy<br /> C3H6COOH<br /> kh«, sau ®ã t¹o m"ng b»ng ph ¬ng ph¸p quay ly<br /> t©m trªn m¸y Filmfuge 1110N (Sheen), chiÒu<br /> H"m l îng IBA ® a v"o m"ng epoxy l" 2%.<br /> d"y m"ng sau khi kh« l" 20 µm.<br /> 2. Ph ¬ng ph¸p nghiªn cøu<br /> III - KÕt qu¶ v* th¶o luËn<br /> Ph ¬ng ph¸p tæng trë: sö dông hÖ 3 ®iÖn<br /> cùc, ®iÖn cùc l"m viÖc l" tÊm thÐp phñ m"ng Kh¶ n¨ng b¶o vÖ chèng ¨n mßn cña m"ng<br /> s¬n, ®iÖn cùc so s¸nh l" ®iÖn cùc calomel, ®iÖn epoxy cã chøa IBA ® îc ®¸nh gi¸ b»ng ph ¬ng<br /> cùc ®èi l" l íi platin. C¸c phÐp ®o ® îc ®Æt ë ph¸p ®o tæng trë ®iÖn hãa. Phæ tæng trë cña c¸c<br /> chÕ ®é ®o tù ®éng, quÐt tõ tÇn sè 100 kHz ®Õn m"ng s¬n ® îc theo dâi theo thêi gian ng©m<br /> 10 mHz, trªn m¸y Autolab PG30 (H" Lan). M«i trong dung dÞch NaCl 3%. Trªn h×nh 1 v" 2 l"<br /> tr êng x©m thôc l" dung dÞch NaCl 3%. Mçi phæ tæng trë cña mÉu thÐp phñ m"ng epoxy v"<br /> phÐp ®o ® îc tiÕn h"nh trªn 3 mÉu ®Ó kh¼ng epoxy chøa IBA sau 1 tuÇn, 5 tuÇn, 10 tuÇn v"<br /> ®Þnh kh¶ n¨ng lÆp l¹i. 20 tuÇn ng©m trong dung dÞch NaCl 3%.<br /> <br /> 6 4<br /> 1.5 10 1.5 10<br /> 1tuan 10 tuan<br /> 6 4<br /> 1 10 0.72 Hz 10 mHz 1 10<br /> .cm2<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 3.7 Hz<br /> 5<br /> 5 10 5000<br /> PhÇn ¶o,<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 10 mHz<br /> 0 6 6 6<br /> 0 4 4 4<br /> 0 1 10 2 10 3 10 0 1 10 2 10 3 10<br /> 5<br /> 3 10 2250<br /> 5 tuan 20 tuan<br /> 100 Kz<br /> 5<br /> 2 10 1500 52 mHz<br /> 7.2 Hz 1.39 kHz<br /> 5<br /> 1 10 750<br /> <br /> 0 5 5 5<br /> 0<br /> 0 2 10 4 10 6 10 0 1500 3000 4500<br /> PhÇn thùc, .cm2<br /> H×nh 1: Phæ tæng trë cña tÊm thÐp phñ m"ng epoxy sau c¸c thêi gian ng©m<br /> kh¸c nhau trong dung dÞch NaCl 3%<br /> <br /> Quan s¸t c¸c phæ tæng trë ta thÊy:<br /> 428<br />  Sau 1 tuÇn ng©m trong dung dÞch NaCl 3%, phæ tæng trë cña c¶ hai mÉu ®N xuÊt hiÖn hai<br /> cung, cung ë tÇn sè cao ®Æc tr ng cho tÝnh chÊt cña m"ng s¬n, cung ë tÇn sè thÊp ®Æc tr ng cho qu¸<br /> tr×nh ¨n mßn trªn bÒ mÆt thÐp [10].<br /> <br /> 5 5<br /> 7.5 10 2.1 10<br /> 1tuan 139 Hz 10 tuan<br /> 5 5<br /> 5 10 1.4 10<br /> 3.7 Hz<br /> 1.9 Hz<br /> 5 4<br /> 2.5 10 10 mHz 7 10<br /> .cm2<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 0 0<br /> 5 5 5<br /> 0 5 10<br /> 5<br /> 1 10<br /> 6<br /> 1.5 10<br /> 6 0 1.4 10 2.8 10 4.2 10<br /> PhÇn ¶o,<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 5 5<br /> 2.1 10 1.05 10<br /> 100 Hz 5 tuan 5.2 Hz<br /> 20 tuan<br /> 5 4<br /> 1.4 10 0.52 mHz 7 10<br /> 0.14 Hz<br /> 4 4<br /> 7 10 3.5 10<br /> <br /> 0 0<br /> 5 5 5 4 5 5<br /> 0 1.4 10 2.8 10 4.2 10 0 7 10 1.4 10 2.1 10<br /> PhÇn thùc, .cm2<br /> H×nh 2: Phæ tæng trë cña tÊm thÐp phñ m"ng epoxy cã chøa 2% IBA sau c¸c thêi gian ng©m<br /> kh¸c nhau trong dung dÞch NaCl 3%<br /> <br /> Tuy nhiªn, so s¸nh h×nh 1 v" 2, d¹ng phæ v" thÐp qua m"ng thÊy xuÊt hiÖn c¸c chÊm gØ ®en<br /> gi¸ trÞ tæng trë cña m"ng epoxy v" epoxy chøa sau 10 tuÇn thö nghiÖm. Thùc tÕ nh÷ng chÊm gØ<br /> IBA kh¸c nhau nhiÒu. Trong tuÇn ®Çu tiªn, tæng n"y duy tr× nhiÒu tuÇn kh«ng ph¸t triÓn thªm.<br /> trë cña m"ng epoxy v" epoxy chøa IBA gÇn nh Kh¶ n¨ng b¶o vÖ chèng ¨n mßn cña líp phñ<br /> t ¬ng ® ¬ng nhau. Sau ®ã, tæng trë cña m"ng chèng ¨n mßn th êng ® îc theo dâi qua sù biÕn<br /> epoxy suy gi¶m liªn tôc theo thêi gian ng©m thiªn cña modul tæng trë t¹i tÇn sè x¸c ®Þnh theo<br /> mÉu, cßn m"ng epoxy cã chøa IBA suy gi¶m thêi gian [13, 14].<br /> m¹nh trong tuÇn ®Çu tiªn sau ®ã gi÷ æn ®Þnh cho<br /> ®Õn 140 ng"y ng©m trong dung dÞch NaCl 3%. H×nh 3 tr×nh b"y biÕn thiªn cña modul tæng<br /> Trªn thùc tÕ, quan s¸t bÒ mÆt thÐp qua m"ng ta trë t¹i 10 mHz theo thêi gian ng©m trong dung<br /> thÊy chØ sau 5 tuÇn ng©m mÉu, bÒ mÆt thÐp phñ dÞch NaCl 3%.<br /> m"ng epoxy ®N cã nhiÒu ®iÓm gØ, c¸c vÕt gØ n"y Theo h×nh 3, modul tæng trë cña mÉu epoxy<br /> lan réng v" chuyÓn m"u v"ng n©u khi thêi gian gi¶m chËm theo thêi gian, sau ®ã æn ®Þnh ®Õn 7<br /> ng©m mÉu t¨ng. tuÇn v" tiÕp theo gi¶m liªn tôc. Thùc tÕ, chØ sau<br /> §èi víi m"ng epoxy chøa IBA, ngay sau 1 7 tuÇn mÉu bÞ gØ nhiÒu v" chØ sau 14 tuÇn ®N lan<br /> tuÇn ng©m mÉu, phæ tæng trë cã d¹ng ® êng réng. Víi mÉu epoxy cã chøa IBA, tæng trë<br /> th¼ng Warburg ë vïng tÇn sè thÊp. Theo c¸c t"i gi¶m m¹nh trong vßng 2 tuÇn, cã thÓ do m"ng<br /> liÖu ®N c«ng bè, sù xuÊt hiÖn cña d¹ng tæng trë cã khuyÕt tËt víi sù cã mÆt cña IBA. Sau ®ã<br /> Warburg thÓ hiÖn qu¸ tr×nh khuÕch t¸n qua tæng trë t¨ng nhanh trong 2 tuÇn v" gi÷ æn ®Þnh<br /> m"ng qua m"ng [11, 12]. D¹ng Warburg n"y ë gi¸ trÞ t ¬ng ®èi cao cho ®Õn 20 tuÇn. Sù gia<br /> duy tr× trong nhiÒu tuÇn, chøng tá m"ng cã c¸c t¨ng trë l¹i v" æn ®Þnh cña tæng trë thÓ hiÖn râ<br /> lç rç rÊt nhá v" kh«ng lan réng. Quan s¸t bÒ mÆt r"ng kh¶ n¨ng tù söa ch÷a cña m"ng khi cã mÆt<br /> chÊt øc chÕ ¨n mßn IBA.<br /> 429<br />  7<br /> 10 §èi víi mÉu epoxy, gi¸ trÞ thÕ ¨n mßn æn<br /> ®Þnh h¬n so víi epoxy chøa IBA trong vßng 14<br /> tuÇn ®Çu, sau ®ã chuyÓn dÞch ®ét ngét vÒ vïng<br /> Modul tæng trë t¹i 10 mHz,<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 6 cat«t v" gi÷ æn ®Þnh ë gi¸ trÞ thÕ ¨n mßn cña<br /> 10<br /> thÐp trÇn trong dung dÞch NaCl 3%.<br /> Tr¸i l¹i, gi¸ trÞ thÕ ¨n mßn cña mÉu epoxy<br /> 5 cã chøa IBA dao ®éng rÊt nhiÒu trong vßng 14<br /> 10<br /> tuÇn gi÷a gi¸ trÞ -550 v" -100 mV, sau ®ã æn<br /> ®Þnh h¬n ë vïng an«t (kho¶ng -250 mV). Sù<br /> th¨ng gi¸ng bÊt th êng cña gi¸ trÞ thÕ ¨n mßn<br /> 4<br /> 10 víi sù cã mÆt cña IBA trong m"ng cã thÓ gi¶i<br /> thÝch do hiÖu øng øc chÕ ¨n mßn cña IBA t¹i<br /> giao diÖn m"ng/kim lo¹i. Ban ®Çu, sù cã mÆt<br /> 10<br /> 3 cña IBA g©y nªn khuyÕt tËt trong m"ng l"m<br /> 0 50 100 150 n íc v" oxi dÔ ngÊm qua m"ng ®Õn bÒ mÆt kim<br /> lo¹i. §iÒu n"y thÓ hiÖn ë ® êng th¼ng Warburg<br /> Thêi gian, ng"y ë vïng tÇn sè thÊp trªn phæ tæng trë (h×nh 2).<br /> H×nh 3: Modul tæng trë t¹i 10 mHz theo thêi Khi ph¶n øng ¨n mßn x¶y ra t¹i giao diÖn<br /> gian ng©m trong dung dÞch NaCl 3% cña mÉu m"ng/kim lo¹i, IBA chiÕt suÊt tõ trong m"ng v"<br /> thÐp phñ m"ng epoxy (x) v" epoxy chøa 2% øc chÕ ph¶n øng ¨n mßn l"m cho bÒ mÆt thÐp bÞ<br /> IBA (•) thô ®éng, thÕ ¨n mßn chuyÓn dÞch vÒ vïng an«t.<br /> Theo c¸c c«ng tr×nh ®N c«ng bè tr íc ®©y vÒ<br /> Kh¶ n¨ng b¶o vÖ chèng ¨n mßn cña líp phñ kh¶ n¨ng øc chÕ chèng ¨n mßn cña c¸c chÊt dÞ<br /> còng ® îc theo dâi qua biÕn thiªn cña gi¸ trÞ thÕ vßng nit¬ cho thÐp cacbon, IBA cã kh¶ n¨ng øc<br /> ¨n mßn theo thêi gian. chÕ ¨n mßn thÐp nhê sù cho nhËn ®iÖn tö gi÷a<br /> H×nh 4 tr×nh b"y sù thay ®æi cña gi¸ trÞ thÕ nguyªn tö N gi"u ®iÖn tö cña IBA v" c¸c orbital<br /> ¨n mßn thÐp theo thêi gian cña thÐp phñ m"ng d trèng cã møc n¨ng l îng thÊp cña Fe trªn bÒ<br /> epoxy v" epoxy chøa IBA. mÆt thÐp [15]. MÆt kh¸c, nhãm cacboxylic trong<br /> ph©n tö IBA ngo"i vai trß t¨ng ®é ph©n cùc cña<br /> -700 ph©n tö gióp cho IBA dÔ d"ng ®Õn bÒ mÆt thÐp<br /> cßn cã kh¶ n¨ng t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho<br /> -600 ph¶n øng thô ®éng thÐp nhê tÝnh chÊt æn ®Þnh<br /> ThÕ ®iÖn cùc, mV<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> pH [16].<br /> -500<br /> Song song víi ®o tæng trë ®iÖn hãa, kh¶<br /> -400 n¨ng b¸m dÝnh cña m"ng trªn nÒn thÐp còng<br /> ® îc kh¶o s¸t. B¶ng 1 tr×nh b"y ®é b¸m dÝnh<br /> -300 cña m"ng epoxy v" epoxy chøa IBA.<br /> <br /> -200 B¶ng 1: §é b¸m dÝnh cña m"ng epoxy v" epoxy<br /> chøa IBA trªn nÒn thÐp cacbon<br /> -100<br /> Líp phñ §é b¸m dÝnh, N/mm2<br /> 0<br /> 0 50 100 150 epoxy 3,7<br /> Thêi gian, ng"y epoxy + 2% IBA 4,7<br /> H×nh 4: BiÕn thiªn cña gi¸ trÞ thÕ ¨n mßn cña KÕt qu¶ ®o b¸m dÝnh cho thÊy sù cã mÆt cña<br /> thÐp phñ m"ng epoxy (x) v" epoxy cã chøa 2% IBA l"m t¨ng kh¶ n¨ng b¸m dÝnh cña m"ng lªn<br /> IBA (•) theo thêi gian ng©m trong dung dÞch bÒ mÆt kim lo¹i. Sù t¨ng b¸m dÝnh n"y ® îc gi¶i<br /> NaCl 3%<br /> 430<br /> thÝch do sù cã mÆt cña IBA t¹i giao diÖn 4. A. Braig. Progress in Organic Coatings, 34,<br /> m"ng/kim lo¹i. C¸c kÕt qu¶ n"y phï hîp víi c¸c 13 (1998).<br /> kÕt qu¶ ®o tæng trë. 5. F. Galliano, D. Landolt. Progress in Organic<br /> Coatings, 44, 217 (2005).<br /> IV - KÕt luËn 6. Trinh Anh Truc, N. Pebere, To Thi Xuan<br /> Hang, Y. Hervaud, B. Boutevin. Progress in<br /> Kh¶ n¨ng b¶o vÖ chèng ¨n mßn cña líp phñ Organic Coatings, 49, 130 (2004).<br /> epoxy víi sù cã mÆt cña indol-3 butyric axit ®N<br /> ® îc kh¶o s¸t b»ng ph ¬ng ph¸p ®o tæng trë 7. M. Bouklah, N. Benchat, B. Hammouti, A.<br /> ®iÖn hãa. C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu cho thÊy sù cã Aouniti, S. Kertit. Materials Letters, 60,<br /> mÆt cña IBA l"m t¨ng kh¶ n¨ng b¶o vÖ chèng ¨n 1901 (2006).<br /> mßn cña líp phñ epoxy. Sù gia t¨ng n"y ® îc 8. E. A. Noor. Corrosion Science, 47, 33<br /> gi¶i thÝch do hiÖu øng øc chÕ ¨n mßn cña IBA (2005).<br /> t¹i giao diÖn m"ng/kim lo¹i. Ngo"i ra, sù cã mÆt 9. L. John Berchmans, V. Sivan, S. Venkata<br /> cña IBA trong m"ng epoxy còng l"m gia t¨ng Krishna Iyer. Materials Chemistry and<br /> ®¸ng kÓ kh¶ n¨ng b¸m dÝnh cña m"ng trªn bÒ Physics, 98, 395 (2006).<br /> mÆt kim lo¹i. 10. L. Beaunier, I. Epelboin, J. C. Lestrade and<br /> H. Takenouti. Surf. Technol., 4, 237 (1976).<br /> Lêi c¶m ¬n: C¸c t¸c gi¶ xin ch©n th-nh c¶m ¬n<br /> chD¬ng tr×nh nghiªn cøu c¬ b¶n cña Nh- nDíc 11. Y. Chen, T. Hong, M. Gopal, W. P. Jepson.<br /> ®H hç trî kinh phÝ ®Ó thùc hiÖn c«ng tr×nh Corrosion Science, 42, 979 (2000).<br /> nghiªn cøu n-y. 12. Liu Jianguo, Gong Gaoping, Yan Chuanwei.<br /> Electrochimica Acta, 50, 3320 (2005).<br /> T*i liÖu tham kh¶o 13. G. Bierwagen, D. Tallman, J. Li, L. He, C.<br /> Jeffcoate. Progress in Organic Coatings, 46,<br /> 1. I. Sekine, T. Kato. Journal of the Oil and 148 (2003).<br /> Colour Chemist’s Association, 9, 256 14. J. H. Park, G. D. Lee, A. Nishikata, T.<br /> (1987). Tsuru. Corrosion Science and Technology,<br /> 2. Y. M. Abu Ayana, S. M. El-Sawy and S. H. 4, 1, 15 (2005).<br /> Salah. Anti-Corosion Method and Materials, 15. F. Bentiss, M. Traisnel, M. LagrenÐe. J.<br /> 44, 6, 381 (1997). Appl. Electrochem., 31, 41 (2001).<br /> 3. M. Zubielewicz, E. Kaminska-Tarnawska, 16. N. Ochoa, G. Baril, F. Moran and N. Pebere.<br /> A. Kozlowska. Progress in Organic Journal of Applied Electrochem., 32 497 -<br /> Coatings, 53, 276 (2005). 504 (2002).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 431<br />