Ảnh hưởng của hỗn hợp nanosilica và nano zirconi oxit đến một số tính chất của sơn Silicon - Nguyễn Bá Ngọc

Hóa học & Kỹ thuật môi trường N. B. Ngọc, , N. V. Khôi, “Ảnh hưởng của hỗn hợp một số tính chất của sơn silicon.” 142 ẢNH HƯỞNG CỦA HỖN HỢP NANOSILICA VÀ NANO ZIRCONI OXIT ĐẾN MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA SƠN SILICON Nguyễn Bá Ngọc1, 2*, Nguyễn Trung Thành1, Trương Đình Tuân1, Trần Vũ Thắng3, Trịnh Đức Công3, Nguyễn Văn Khôi3 Tóm tắt: Phụ gia nano đã được sử dụng nhiều ngành vật liệu để cải thiện tính chất của vật liệu gốc. Trong sản xuất sơn, silica vô định hình hoặc nano zirconi oxit được sử dụng để làm thay đổi tính chất lưu biến của sơn lỏng cũng như nhiều tính chất của màng sơn. Sơn silicon được biết đến với khả năng chịu nhiệt độ cao và bền trong môi trường hóa chất. Bài báo này sẽ giới thiệu một số kết quả nghiên cứu về sơn silicon có bổ sung thêm hỗn hợp nanosilica và nano zirconi oxit. Thông qua thử nghiệm về khả năng chịu nhiệt độ, độ bám dính, độ cứng, độ bền uốn, với sự có mặt của hỗn hợp nanosilica và nano zirconi oxit đã khẳng định rằng sơn silicon có bổ sung thêm 02 loại nano này có thể bảo vệ kim loại trong điều kiện môi trường xăng, muối mặn, axit nhẹ hoặc nhiệt độ đến 1.050 oC trong thời gian ngắn. Từ khóa: Sơn silicon; Nanosilica; Nano zirconi oxit; Sơn chịu nhiệt độ cao. 1. MỞ ĐẦU Sơn trên cở sở nhựa silicon (sơn silicon) được biết đến với các tính chất nổi trội như khả năng chịu nhiệt độ cao, bền hóa chất và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ cũng như đời sống hàng ngày [1]. Sơn silicon thường được sử dụng khi cần lớp phủ bảo vệ có yêu cầu khả năng chịu nhiệt độ trong môi trường điều kiện khắc nghiệt. Sơn silicon có khả năng làm việc lâu dài ở nhiệt độ lên đến trên 500 oC, tuy nhiên, nếu sử dụng ở nhiệt độ khoảng 700 oC chỉ trong thời gian ngắn thì sơn này sẽ bị bong tróc, mất khả năng bảo vệ. Để khắc phục nhược điểm này, trong quá trình chế tạo sơn thường bổ sung một hay nhiều chất phụ gia khác nhau để tăng cường khả năng bền nhiệt của màng sơn silicon, nâng cao tính chất và khả năng sử dụng của sơn này. Một số tác giả đã sử dụng nanosilica và nano zirconi oxit để cải thiện khả năng chịu nhiệt của sơn trên cơ sở nhựa silicon và thu được kết quả khả quan [2, 3]. Một số tác giả khác đã sử dụng zirconi oxit, nano zirconi oxit nhằm cải thiện khả năng bám dính, khả năng chống ăn mòn, khả năng chống hà, khả năng chống cháy,... của màng sơn [4-6]. Nghiên cứu này đề cập đến ảnh hưởng của hỗn hợp nanosilica và nano zirconi oxit đến khả năng chịu nhiệt, độ bám dính, độ bền nhiệt, độ bền uốn và độ cứng của màng sơn. Ngoài ra, ảnh hưởng của môi trường hóa chất đến tính chất của màng sơn silicon cũng được đề cập. 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Vật liệu và hóa chất - Nhựa polymetyl phenyl siloxan, Wacker Chemie AG (Đức), mã hiệu SILRES REN 50; - Nhũ nhôm, ECKART GmbH (Đức), mã hiệu STAPA 4 Aluminium Paste; - Nano zirconi oxit, American Elements (Mỹ), dạng bột mịn, độ tinh khiết 99%, kích thước hạt trung bình 60nm; - Nanosilica, Sigma-Aldrich, dạng bột mịn, độ tinh khiết 99,8%, kích thước hạt trung bình 12nm, diện tích bề mặt riêng 175-225m2/g (theo phương pháp BET); - Axeton, butanol, xylen, MiBK, bentonit: hóa chất tinh khiết (Trung Quốc); - TiO2, Sichuan Lomon Corporation, Trung Quốc. Cỡ hạt 10 - 15 m; hàm lượng TiO2 ≥ 98%. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 65, 02 - 2020 143 2.2. Chế tạo sơn Căn cứ vào đơn nghiên cứu sơn chịu nhiệt độ cao của một số nghiên cứu [7, 8], thành phần đơn nghiên cứu được chỉ ra như ở bảng 1. Bảng 1. Thành phần đơn chế tạo sơn silicon. TT Nguyên liệu Tỷ lệ (% khối lượng) 1 Nhựa silicon (40% silicon) 70 2 Nhũ nhôm 12 3 TiO2 9 4 Nanosilica 0 – 1,2 5 Nano zirconi oxit 0 – 1,2 6 Dung môi + phụ gia 9 – 6,6 Tổng 100 - Chuẩn bị và định lượng nguyên liệu theo đơn nghiên cứu; - Công đoạn ngâm ủ: Cho 90% nhựa polymethyl phenyl siloxan và 90% lượng dung môi vào khuấy đều, sau đó, cho hết lượng nhũ nhôm, TiO2, phụ gia,... khuấy ở tốc độ 300 - 400 vòng/ phút trong 1 giờ. Ngâm ủ hỗn hợp trong 24 giờ; - Công đoạn nghiền sơ bộ: Nghiền hỗn hợp ở máy nghiền bi ở tốc độ 250 - 300 vòng/phút trong thời gian 05 giờ; - Công đoạn nghiền mịn: Nghiền hỗn hợp ở máy nghiền hạt ngọc ở tốc độ 1.300 - 1.500 vòng/ phút, đến khi độ mịn  25 m; - Công đoạn pha chỉnh: Bổ sung nhựa silicon và dung môi còn lại, khuấy đều trong 02 giờ. Lấy mẫu sơn đi kiểm tra; - Công đoạn lọc - đóng hộp - bảo quản: Sử dụng lưới 100 lỗ/ mm2 để loại hết các hạt thô hoặc bụi bẩn ở trong sơn, sau đó chuyển sang đóng hộp. 2.3. Phương pháp thử nghiệm đánh giá Sơn silicon sau khi được chế tạo sẽ được gia công chế tạo các mẫu để thử nghiệm xác định các tính chất của lớp màng sơn (theo tiêu chuẩn TCVN 2090:2007) trên các tấm thép (theo tiêu chuẩn TCVN 5670:2007). Khả năng chịu nhiệt của màng sơn được thử nghiệm trong lò nung Nabertherm model N11/H và khả năng chịu môi trường hóa chất được thử nghiệm tại Trung tâm Đo lường/Viện Công nghệ - Bộ Quốc phòng. Khả năng chịu nhiệt được tiến hành bằng cách đưa mẫu sơn trên các tấm thép vào lò nung ở các nhiệt độ xác định trong các khoảng thời gian khác nhau. Thời gian thử nghiệm được tính từ lúc mẫu bắt đưa mẫu vào đến lúc lấy mẫu ra khỏi nò lung. Các mẫu sau khi thử nghiệm được đánh giá sự thay đổi ngoại quan bề mặt. Độ bám dính, độ bền uốn và độ cứng của màng sơn được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 2097:2007, TCVN 2099:2007 và TCVN 2098:2007 tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới/ Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Hình thái cấu trúc của vật liệu sơn được quan sát trên máy SEM Hitachi S4800 (Nhật Bản) tại Viện Khoa học vật liệu/ Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Hóa học & Kỹ thuật môi trường N. B. Ngọc, , N. V. Khôi, “Ảnh hưởng của hỗn hợp một số tính chất của sơn silicon.” 144 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng hỗn hợp nanosilica và nano zirconi oxit đến khả năng chịu nhiệt của màng sơn Để nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng hỗn hợp nanosilica và nano zirconi oxit đến khả năng chịu nhiệt của màng sơn silicon, các mẫu được chế tạo ngoài thành phần chính được chỉ ra ở bảng 1, thì tỷ lệ hàm lượng giữa nanosilica và nano zirconi oxit được chỉ ra ở bảng 2. Bảng 2. Hàm lượng nanosilica và nano zirconi oxit trong đơn nghiên cứu. TT Tên mẫu Nanosilica, % Nano zirconi oxit, % 1 M1 0,25 0,25 2 M2 0,5 0,5 3 M3 0,75 0,75 4 M4 1 1 5 M5 1,2 1,2 Các mẫu được gia công trên các tấm mẫu tiêu chuẩn (chiều dày lớp sơn (250  300µm), phun 6 - 8 lớp), để mẫu khô ở nhiệt độ phòng trong 24 - 48 giờ, sau đó sấy tấm mẫu trong tủ sấy với điều kiện nâng từ nhiệt độ phòng lên nhiệt độ 200oC, tốc độ nâng nhiệt 1oC/phút, giữ tấm mẫu ở nhiệt độ 200oC trong thời gian 02 giờ, tắt tủ sấy để mẫu nguội tự nhiên. Thời gian thử nghiệm khả năng chịu nhiệt là 25 giây ở các nhiệt độ khác nhau. Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong bảng 3. Bảng 3. Ảnh hưởng của hàm lượng hỗn hợp nanosilica và nano zirconi oxit đến khả năng chịu nhiệt của sơn silicon (quan sát bằng mắt thường). TT Tên mẫu Nhiệt độ thử nghiệm (oC) 600 700 800 900 1.000 1.050 1.100 1 M1 KĐ KĐ KĐ KĐ PR 2 M2 KĐ KĐ KĐ KĐ KĐ PR 3 M3 KĐ KĐ KĐ KĐ KĐ KĐ PR 4 M4 KĐ KĐ KĐ KĐ KĐ KĐ PR 5 M5 KĐ KĐ KĐ KĐ KĐ PR (KĐ: không đổi, PR: phồng rộp) Từ bảng 3, nhận thấy rằng đối với mẫu sơn silicon khi tăng hàm lượng nanosilica và nano zirconi oxit thì khả năng chịu nhiệt của mẫu sơn tăng lên. Cụ thể, ở mẫu sơn có hàm lượng nanosilica và nano zirconi oxit đều là 0,25% thì có khả năng chịu nhiệt độ tới 900 oC; còn khi hàm lượng tăng lên 0,5% thì khả năng chịu nhiệt tăng lên 1.000 oC- 1.050 oC, khi đó bề mặt sơn xuất hiện các điểm phồng rộp. Khi hàm lượng nanosilica và nano zirconi oxit đều là 0,75% và 1% thì khả năng chịu nhiệt lên đến 1.050 oC (bề mặt các mẫu không thay đổi khi quan sát bằng mắt thường), ở nhiệt độ 1.100 oC các mẫu bắt đầu xuất hiện các điểm phồng rộp. Tuy nhiên, khi hàm lượng nanosilica và nano zirconi oxit tăng lên đến 1,2% thì khả năng chịu nhiệt của màng sơn giảm đi, bề mặt của mẫu thử xuất hiện các điểm phồng rộp ở 1.050 oC. Điều này có thể được giải thích là do nanosilica và nano zirconi oxit có khả năng chịu nhiệt độ cao nên khi tăng hàm lượng sẽ làm tăng khả năng chịu nhiệt của màng sơn và khi hàm lượng quá cao dẫn tới việc các hạt độn kích thước nano khó phân tán trong sơn, tích tụ với nhau, chính vì vậy làm giảm khả năng chịu nhiệt của lớp sơn phủ. Nghiên c Tạp chí Nghi 3.2. tính ch silicon t M bám dính, đ chi TT 1 2 3 4 5 Ảnh h Để nghi 4, M ều d ất c ới độ bám dính, độ bền uốn v 5 đư ày l ứu khoa học công nghệ Hình 1 ợc gia công tr ớp s Tên m ên c ưởng của h ơ lý c ên c ộ bền uốn của m M1 M2 M3 M4 M5 ứu KH&CN . Hình ủa m ứu ảnh h ơn (30 ẫu Mẫu Mẫu M M ảnh các tấm mẫu sau khi thử nghiệm ở 1 àng sơn silicon  2 4 àm lư ư ên các t 40)µm. K Bảng 4 Đ quân s ởng của h àng sơn (đi ộ bền uốn (mm) ợng hỗn hợp nanosilica v . 2 2 2 3 3 ự, Số ấm kính để đo độ cứng v ết quả nghi Ảnh àm lư à đ hư 65 ều kiện gia công m ởng của h Tính ch , 02 ợng nanosilica v ộ cứng của m đến một số tính chất c - 20 ên c 20 ứu đ àm lư ất c Độ bám dính ư ơ l (Đi àng sơn, các m ợc tr ợng ý c ểm) 1 1 1 1 2 à nano zirconi à m àng sơn tương t ình bày trong b ủa m à nano zirconi oxit trong sơn ẫu thép ti nanosilica và àng sơn Mẫu Mẫu .050 ơ l M M oC sau 25 giây ý c 3 5 ẫu s êu chu ủa m Độ cứng t oxit đ ơn M ự nh ảng 4. nano àng sơn 0,32 0,32 0,31 0,30 0,30 ến một số 1 ẩn để đo độ ư m zirconi ương đ . , M ục 3.1), silicon 145 2, M oxit ối 3, . 146 silicon lên đ trong khi đó, đ nanosilica và nano zircon của m nano zirconi oxit trong sơn tăng lên m đều, l 3.3. Kh có h sơn nghiên c axit HCl 5%, NaCl 5% bị với điều kiện t tiến h 3.3.1. K TT 3.3.2. Hình thái c mẫu s không có hi kh trư Hình 2a Kết quả nghi ỗn hợp nanosilica v Để nghi Kết quả khảo sát đ 1 2 3 4 5 Kết quả nghi ả năng chịu đ ờng hóa chất khắc nghiệt khác. N. B. Ng àng sơn đ àm suy gi ảo sát khả năng chịu môi tr ành đánh giá kh ết quả quan sát bề mặt ngo Tên m ơn nghiên c M M M M M . Ảnh SEM mẫu M ọc ến 0,75% th ên đánh giá kh ứu, các khảo sát về độ bền của m ẫu 1 2 3 4 5 ện t , ên c ộ cứng t ều suy giảm. Điều n ảm ương t ên c ượng rạn nứt, bong rộp. Điều n ư , tính ch ấu trúc bề mặt m ứu trong xăng A95, axit HCl 5% v ợc nhiệt độ cao, c N. V. Khôi ứu cho thấy ả năng chịu môi tr ược tr Đ ứu trong bảng 5 v ì đ ương đ i oxit lên đ ất độ bền uốn v à nano zirconi oxit ả năng sử dụng trong một số môi tr ở nhiệt độ ph ự nh Bảng 5 ộ bền trong xăng A95 Không đ Không đ Không đ Không đ Không đ ộ bền uốn, độ bám dính của m ư m ình bày trong b B 1 sau th , “ ối của m ục 3.1, chiều d . ề mặt của m Ảnh h , với h ài c Kh có ổi ổi ổi ổi ổi àng sơn sau khi th ử nghiệm ến 1,2%, tính chất độ bền uốn v ày có th ư òng ủa m ả năng chịu môi tr và không có h à hình 2a, 2b, 2c, 2d cho th òn có kh ưởng của hỗn hợp àm lư àng sơn silicon có s ức độ nhất định th à đ ờng hóa chất của m đư ường hóa chất của mẫu thử. ể đ ộ bám dính điểm của m ợc thực hiện. Các mẫu thử nghiệm đ àng sơn sau khi th ảng 5. àng sơn (th . ợng nanosilica v ư àng sơn trong m ày l ày cho th ả năng sử dụng trong nhiều điều kiện môi Hình 2b ợc giải thích, khi h ớp s Độ bền trong axit HCl 5% Không đ Không đ Không đ Không đ Không đ ỗn hợp nanosilica v ử nghiệm à NaCl 5% màng sơn không thay đ ơn (30 ườn ời gian ngâm mẫu 72 giờ) . Ảnh SEM mẫu M m àng sơn silicon không thay đ ự thay đổi nhỏ. Khi h ì các h g hóa ch ổi ổi ổi ổi ổi ấy các mẫu s Hóa h ột số tính chất của s à nano zirconi oxit trong sơn àng sơn silicon có và không ư ột số môi tr  ử nghiệm ạt độn khó phân tán đồng ờng khác nhau của các 40)µm. Sau đó, th ọc & Kỹ thuật môi tr àm lư àng sơn. ất của m ấy, sau 72 giờ ngâm các à đ à nano zirconi oxit ơn nghiên c ộ bám dính điểm ợng nanosilica v ư Độ bền trong NaCl 5% Không đ Không đ Không đ Không đ Không đ 2 sau th ờng xăng A95, àng sơn silicon ơn silicon ư ử nghiệm àm lư ợc chuẩn ử nghi ổi ổi ổi ổi ổi ứu ngo ường ợng m .” ổi, à ẫu ệm . ổi, ài . Nghiên c Tạp chí Nghi Hình 2c ch nano zirconi oxit. Khi có m 25 giây nanosilica và nano zirconi oxit lên đ silica và nano zirconi oxit trong sơn ti trong môi trư trong môi trư [1]. [2]. [3]. [4]. [5]. [6]. [7]. [8]. 1. S ịu nhiệt của m 2. Tính ch 3. Các m Chaobo Wu Polymer M. Kamalan Kirubaharan et al, dioxide and silicon dioxide fo Technology and Research, Nguy silicon” A.Mathiazhagan Review,” 4 (2011), pp. 225 Sara Lopez de Armentia et al, Nanoparticles Combining Wetting, Tribological, and Aesthetical Properties Coatings, Nguyen Van Chi resistance of powder coating 56(3B) L. Mathivanan et al, and corrosion resistance properties of the silicone based coatings Technology, Jun Zhao et al, Coatings with Low Infrared Emissivity ự có mặt của hỗn hợp nanosilica v c ứu khoa học công nghệ . Ảnh SEM mẫu M ủa m ễn Bá Ngọc v ên c àng sơn tăng t ất c ẫu s ờng xăng, axit v ờng xăng, muối mặn, axit nhẹ. -Plastics Technology and Engineering , T International Journal of Chemical Engineering and Applications Vol. 8 (2018) ứu KH&CN àng sơn silicon so v ơ l ơn silicon có và không có h et al, “ ạp chí Hóa học, Vol. 29, ý c , No. 10 (2018). , pp. 35 ủa m et al, -237. “The High Study of Resistance of Silicone Resin to Heat and Irradiation, à c et al, - “ No. 1 (2000), p quân s 4 sau th ặt của hỗn hợp ừ 900 àng sơn không thay đ ộng sự, “Nanotechnology 41. The effect of zirconium oxide and quartz pigments on the heat à nư TÀI LI Vol. 9, Số 55(E34) “The Influence of ZrO ự, Số ử nghiệm oC lên 1.050 ớc mặn. Do đó, các mẫu s “ “Development of Silane ,” Vietnam Journal of Scie -Temperature Resistance Properties of Polysiloxane/Al 4. K ới tr ến 1%. Tuy nhi ếp tục tăng l “Synthesis and characterization of nanosized titanium r corrosion resistance applications,” No. 2 (2012), pp. 163 Ảnh h 65 ư ỆU THAM KHẢO p. 10 , 02 . ẾT LUẬN à nano zirconi oxit làm đ ờng hợp không sử dụng hỗn hợp nano silica v nano này, kh ỗn hợp nanosilica v ưởng của nanosilica đến các tính chất của s (2017), tr 152 ”, - 20 Hình 2d o - A New Prospective in Organic Coating –15. Coatings 2018, 20 C. ổi nhiều khi sử dụng h ên thì tính ch , ên, khi hàm lư Vol. 48 . Ảnh SEM mẫu M 2/Silane pretreatment on corosion ả năng chịu nhiệt trong thời gian , No. 10 (2009), pp. 1094 -155. - ất c ơn -170. Based Coatings wi Vol. 8 ơ l à nano zirconi oxit đ nce and Technology, ợng l ý c này đ , No. 125. ã làm t ư ủa m ”, 5 sau th àm lư ợng àng sơn gi ều có thể sử dụng Pigment & Resin ăng kh ợng hỗn hợp h ử nghiệm ỗn hợp nano J. Coatings ,Vol. th Zirconia ả năng ều bền 147 ảm đi. -1100 2, No. ”, Vol. . à ” J. . ơn – J. Hóa học & Kỹ thuật môi trường N. B. Ngọc, , N. V. Khôi, “Ảnh hưởng của hỗn hợp một số tính chất của sơn silicon.” 148 ABSTRACT EFFECT OF NANOSLICA AND NANO ZIRCONIUM OXIDE ON SOME PROPERTIES OF SILICONE PAINT Additives containing nanoscale materials have long been used in the production of lacquers and paints, for example, synthetic amorphous silica or nano zirconium oxide to influence the fluidity of lacquer. Modern techniques have been developed to scientifically describe nanoscale materials and structures. Therefore, it is possible to manufacture and use nanomaterials in the coating industry to the specific needs of the various applications. Silicone paint is well known for its high temperature resistance. This article will introduce silicone paint filled with nanosilica and nano zirconium oxide. Through testing on temperature resistance, adherence, hardness, the role of nanosilica and nano zirconium oxide is affirmed that this paint can protect metal in chemical working condition or high temperature, at 1.050oC for short time. Besides, the article also investigates the effect of working condition on the surface of silicone paint with and without nano ones. Keywords: Silicone paint; Nanosilica; Nano zirconium oxide; Thermal resistance paint. Nhận bài ngày 21 tháng 11 năm 2019 Hoàn thiện ngày 15 tháng 01 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 17 tháng 02 năm 2020 Địa chỉ: 1Viện Công nghệ, Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng; 2Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; 3Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. *Email: nguyenbangocbn@yahoo.com.