Báo cáo Tóm tắt Nghiên cứu chế tạo thế hệ sơn mới thân thiện với môi trường có khả năng chống ăn mõn và hà bám trên cơ sở các vật liệu nano dẫn điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THẾ HỆ SƠN MỚI THÂN THIỆN VỚI MÔI TRƢỜNG CÓ KHẢ NĂNG CHỐNG ĂN MÕN VÀ HÀ BÁM TRÊN CƠ SỞ CÁC VẬT LIỆU NANO DẪN ĐIỆN Mã số: B2016-ĐN02-01 Chủ nhiệm đề tài: TS. Phan Thế Anh Đà Nẵng, 09/2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THẾ HỆ SƠN MỚI THÂN THIỆN VỚI MÔI TRƢỜNG CÓ KHẢ NĂNG CHỐNG ĂN MÕN VÀ HÀ BÁM TRÊN CƠ SỞ CÁC VẬT LIỆU NANO DẪN ĐIỆN Mã số: B2016-ĐN02-01 Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên, đóng dấu) (ký, họ và tên) Đà Nẵng, 09/2018 Danh sách các thành viên tham gia đề tài STT Họ và tên Chức danh 1 Dƣơng Thế Hy Thành viên chính 2 Võ Công Tuấn Thƣ ký khoa học 3 Phan Thanh Sơn Thành viên MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU BẰNG TIẾNG VIỆT VÀ TIẾNG ANH MỞ ĐẦU ............................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài..1 2. Mục tiêu của đề tài..2 3. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu..2 4. Cách tiếp tiếp cận, phƣơng pháp nghiên cứu.3 5. Nội dung nghiên cứu..4 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT........................................... 5 1.1. Tổng quan lý thuyết về quá trình tổng hợp vật liệu nano dẫn điện5 1.1.1. Polymer dẫn điện........................................................... 5 1.1.2. Ống carbon nano (CNT)................................................. 7 1.2. Tổng quan lý thuyết về thành phần màng sơn 8 1.3. Tổng quan lý thuyết về cơ chế chống ăn mòn và chống hà bám...8 1.3.1. Các hệ sơn chống ăn mòn trên cơ sở PANI............................. 8 1.3.2. Quá trình bám dính của sinh vật biển và các hệ sơn chống hàu hà ................................................................................................. 8 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM...10 2.1. Tổng hợp vật liệu nano dẫn điện..10 2.1.1. Tổng hợp polymer dẫn điện bằng phương pháp hóa học có hiệu suất cao. .............................................................................. 10 2.1.2. Tổng hợp ống carbon nano bằng phương pháp CVD...... 10 CNT đƣợc tổng hợp theo quy trình đã công bố của nhóm tác giả Huỳnh Anh Hoàng....................................................................... 10 2.2. Đánh giá các đặc trƣng của vật liệu nano dẫn điện..10 2.2.1. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) ............................. 10 2.2.2. Phổ UV-vis ........................................................................ 10 2.2.3. Phổ nhiễu xạ tia X .............................................................. 10 2.2.4. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) .......................................... 11 2.2.5. Phân tích nhiệt trọng lƣợng (TGA) ...................................... 11 2.2.6. Độ dẫn điện........................................................................ 11 2.2.7. Độ nhớt ............................................................................. 11 2.3. Đơn phối liệu và quy trình tạo màng sơn.11 2.3. 1. Đơn phối liệu .................................................................... 11 2.3.2. Quy trình tạo màng sơn....................................................... 12 2.4. Đánh giá khả năng chống ăn mòn và chống hàu hà 12 PHẦN 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.13 3.1. Tổng hợp và đánh giá đặc trƣng của axit decylphosphonic.13 3.2. Ảnh hƣởng của nồng độ axit đến quá trình tổng hợp và tính chất của polyaniline...13 3.2.1. Hiệu suất tổng hợp.............................................................. 13 3.2.2. Phổ UV-vis của PANI-H3PO4 và PANI-base ........................ 14 3.2.3. Phổ hồng ngoại của PANI-H3PO4 và PANI-base .................. 14 3.2.4. Tính chất nhiệt của PANI .................................................... 15 3.2.5. Hình thái học của PANI dƣới kính hiển vi điện tử quét (SEM) ................................................................................................... 16 3.3. Ảnh hƣởng của ion đối đến tính chất của polyaniline..17 3.3.1. Hiệu suất phản ứng, độ nhớt và độ dẫn điện ......................... 17 3.3.2. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier .......................................... 17 3.3.3. Tính chất nhiệt ................................................................... 18 3.4. Ảnh hƣởng hàm lƣợng PANI đến khả năng chống ăn mòn của màng sơn...19 3.5. Ảnh hƣởng của ion đối đến khả năng chống ăn mòn của màng sơn21 3.5.1. Độ hấp thụ nƣớc ................................................................. 21 3.5.2. Phun muối ......................................................................... 21 3.5.3. Phổ tổng trở điện hóa .......................................................... 22 3.6. Ảnh hƣởng của các vật liệu nano dẫn điện đến khả năng chống ăn mòn..24 3.6.1. Khả năng phân tán của bột màu ........................................... 24 3.6.2. Phổ tổng trở điện hóa .......................................................... 24 3.7. Khả năng chống hàu hà của màng sơn.25 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Cơ chế polymer hóa của Aniline [14]. ...................................... 6 Hình 1.2: Sự biến đổi thuận nghịch giữa các trạng thái và quá trình cho - nhận proton của PANI [15] .................................................................... 6 Hình 1.3: Cấu trúc của fulleren và ống CNT đơn lớp................................ 7 Hình 1.4: Ảnh TEM thu đƣợc từ hiển vi điện tử truyền qua của cấu trúc MWCNT (a), hình ảnh mô phỏng (b) ...................................................... 7 Hình 1.14: Quá trình phát triển của sinh vật bám vỏ tàu thuyền...8 Hình 3.1: Phổ UV-vis của PANI-H3PO4 và PANI-base..14 Hình 3.2: Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier của PANI-H3PO4 và PANI- base 15 Hình 3.3: Giản đồ TGA của PANI-base.16 Hình 3.4: Ảnh SEM của PANI với các điều kiện tổng hợp khác nhau: (a) 0,1M, (b) 0,2M, (c) 0,5M và (d) 1M ..16 Hình 3.5: Phổ FTIR của PANI-EB và PANI-ES trong vùng số sóng từ 4000 đến 500cm-1 (A) và trong vùng từ 500 đến 1700cm-1 (B): PANI-HCl (a), PANI-H3PO4 (b), PANI-DPA (c), PANI-EB của PANI-HCl (d), PANI-EB của PANI-H3PO4 (e) và PANI-EB của PANI-DPA (f) 18 Hình 3. 6: Giản đồ TGA của PANI và DPA... 18 Hình 3. 7: Ảnh sau 360 giờ phun muối... 20 Hình 3. 8: Độ hấp thụ nƣớc của màng sơn theo thời gian ngâm trong dung dịch NaCl 3,5%.......................................................................................21 Hình 3.9: Ảnh sau 360 giờ phun muối22 Hình 3. 10: Sơ đồ mạch điện tƣơng đƣơng. ...22 Hình 3.11: Đồ thị Nyquist theo thời gian ngâm của PVB (a), PANI-EB (b), PANI-HCl (c), PANI-H3PO4 (d) và PANI-DPA (e)23 Hình 3.12: Sự biến thiên của |Z|0,02 Hz theo thời gian 23 Hình 3. 13: Ảnh SEM của màng sơn chống ăn mòn có phối trộn các bột màu: PANI, CNT, TiO2, Zn.24 Hình 3.14: Sự biến thiên của |Z|0,02 Hz theo thời gian..24 Hình 3. 15: Ảnh chụp màng sơn trên cơ sở nhựa PVB có phối trộn các bột màu dẫn điện theo thời gian ngâm tại đầm Lập An-Lăng Cô-Thừa Thiên Huế 25 Hình 3. 16: Ảnh chụp màng sơn chống gỉ thƣơng mại phối trộn các bột màu dẫn điện theo thời gian ngâm tại đầm Lập An-Lăng Cô-Thừa Thiên Huế 26 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2. 2: Đơn phối liệu cho màng sơn chống ăn mòn ........................... 11 Bảng 2. 5: Đơn phối liệu cho màng sơn chống hàu hà..12 Bảng 3. 1: Hiệu suất thu hồi sản phẩm rắn tính theo PANI-H3PO4.13 Bảng 3. 2: Hiệu suất chuyển hóa tính theo PANI-base.13 Bảng 3. 3: Hiệu suất phản ứng, độ nhớt và độ dẫn điện của PANI17 Bảng 3. 4: Mức độ ăn mòn theo thời gian phun muối19 Bảng 3. 5: Các đại lƣợng đặc trƣng cho độ nhám của bề mặt20 Thông tin kết quả nghiên cứu bằng tiếng Việt và tiếng Anh Thông tin kết quả bằng tiếng Việt: 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo thế hệ sơn mới thân thiện với môi trƣờng có khả năng chống ăn mòn và hà bám trên cơ sở các vật liệu nano dẫn điện - Mã số: B2016-ĐN02-01 - Chủ nhiệm: TS. Phan Thế Anh - Thành viên tham gia: + TS. Dƣơng Thế Hy + ThS. Võ Công Tuấn + ThS. Phan Thanh Sơn - Cơ quan chủ trì: Trƣờng Đại học Bách Khoa-Đại học Đà Nẵng - Thời gian thực hiện: 24 tháng từ tháng 10 năm 2016 đến tháng 9 năm 2018 2. Mục tiêu: Chế tạo thành công hệ sơn mới thân thiện với môi trƣờng và hiệu quả cao trong việc chống ăn mòn, chống bám bẩn của các loài hàu, hà để phục vụ cho các công trình biển. 3. Tính mới và sáng tạo: Trọng tâm chính của đề xuất nghiên cứu này là để thực hiện một nghiên cứu chứng minh khái niệm về việc sử dụng vật liệu nano dẫn điện để vừa chống ăn mòn vừa chống hàu hà. 4. Tóm tắt kết quả nghiên cứu: Vật liệu nano dẫn điện sử dụng cho màng sơn chống ăn mòn và hàu hà trong nghiên cứu này là polyaniline (PANI, một loại polymer dẫn điện) và ống carbon nano (CNT). Các bột màu đồng phối trộn là bột kẽm và TiO2 dạng thƣơng mại. Chất tạo màng đƣợc sử dụng trong các nghiên cứu về khả năng chống ăn mòn là polyvinyl butyral (PVB). Để tăng tính ứng dụng, sơn chống gỉ thƣơng mại đƣợc lựa chọn để bổ sung các vật liệu nano dẫn điện cho khảo sát khả năng chống hàu hà. CNT đƣợc tổng hợp trong phòng thí nghiệm theo quy trình đã công bố và sử dụng làm nguyên liệu phối trộn trong màng sơn nghiên cứu. Quá trình tổng hợp và đánh giá đặc trƣng của vật liệu nano dẫn điện chỉ tập trung vào PANI. Các kết quả thu đƣợc nhƣ sau: Trƣớc hết, axit decylphosphonic (DPA) sử dụng làm tác nhân tăng cƣờng cho polyaniline (PANI) và là tác nhân ức chế ăn mòn cho màng sơn đƣợc tổng hợp trong phòng thí nghiệm theo phƣơng pháp đơn giản, hiệu suất cao (lên đến 87%). Cấu trúc hóa học và độ tinh khiết của sản phẩm đƣợc chứng minh qua phổ cộng hƣởng từ hạt nhân proton (1H-NMR), carbon ( 13 C-NMR) và phổ hồng ngoại (FTIR). Các giản đồ phân tích nhiệt trọng lƣợng (TGA) và phân tích nhiệt quét vi sai (DSC) đƣợc sử dụng để nghiên cứu tính chất nhiệt của sản phẩm thu đƣợc. Quá trình tổng hợp và đánh giá đặc trƣng của PANI trong điều kiện thay đổi nồng độ axit H3PO4 từ 0,1M, 0,2M, 0,5M đến 1M và thay đổi các loại axit khác nhau HCl, H3PO4 và DPA. Kết quả chỉ ra rằng nồng độ axit của môi trƣờng phản ứng có ảnh hƣởng mạnh đến hiệu suất trùng hợp và hình dạng hạt PANI thu đƣợc. PANI tổng hợp trong điều kiện nồng độ H3PO4 0,5M cho hiệu suất lớn nhất. PANI có hình dạng sợi với đƣờng kính khoảng 200 nm thu đƣợc trong điều kiện nồng độ H3PO4 0,1M. PANI đƣợc tổng hợp trong môi trƣờng có chứa DPA cho sản phẩm có khối lƣợng phân tử lớn và mạch ít bị sulfo hóa. PANI tổng hợp trong môi trƣờng của axit mạnh (HCl) có độ dẫn điện cao (3,79 S.cm-1) và hiệu suất (95%) lớn hơn PANI đƣợc tổng hợp trong môi trƣờng của axit yếu (độ dẫn điện: 0,23 S.cm -1 cho H3PO4 và 3,01 S.cm -1 cho DPA, hiệu suất: 86% cho H3PO4 và 87% cho DPA). Hiệu quả chống ăn mòn của màng sơn có chứa PANI đƣợc khảo sát ở các mức 0,5%, 2% và 15% khối lƣợng. Kết quả cho thấy các màng sơn có chứa PANI thể hiện một hiệu quả chống ăn mòn tốt hơn màng sơn không chứa thành phần này. Ở tỉ lệ phối trộn 2% khối lƣợng của PANI, màng sơn tạo thành cho hiệu quả bảo vệ ăn mòn tốt nhất. Màng sơn chứa polyaniline ở trạng thái dẫn điện (PANI-ES) thể hiện hiệu quả chống ăn mòn tốt hơn màng sơn chứa polyaniline ở trạng thái không dẫn điện (PANI-EB). Màng sơn chứa polyaniline đƣợc tổng hợp trong môi trƣờng axit decylphosphonic (PANI-DPA) có hiệu quả chống ăn mòn tốt nhất trong các mẫu nghiên cứu. Cuối cùng là khảo sát khả năng chống ăn mòn và hàu hà của màng sơn có phối trộn các vật liệu nano dẫn điện. Kết quả thu đƣợc cho thấy việc phối trộn các vật liệu nano dẫn điện đã làm tăng khả năng chống ăn mòn của màng sơn trong khoảng 150 giờ đầu tiên của quá trình khảo sát và tăng khả năng chống hàu hà trong khoảng 4 tháng. 5. Tên sản phẩm: + 1 bài báo đăng trên tạp chí Korean Journal Chemical Enginerring với tiêu đề “Synthesis and characterization of decyl phosphonic acid, applications in emulsion polymerization and anti-corrosion coating” volume 35(6), trang 1365-1372, năm 2018. + 1 bài báo đăng trên tạp chí Khoa học và Công nghệ Đại học Đà Nẵng với tiêu đề: “Tổng hợp và nghiên cứu ảnh hƣởng của hàm lƣợng polyaniline đến hiệu quả chống ăn mòn của màng sơn”, số 11(108), trang 1-6, 2016. + 1 bài báo đăng trên Tạp chí Hóa học với tiêu đề: “Ảnh hƣởng của tác nhân tăng cƣờng lên tính chất hóa lý và hiệu quả chống ăn mòn của polyaniline”, số 4E2355, trang 1-6, 2017. + 2 sinh viên nghiên cứu khoa học năm học 2017-2018. + 2 seminar cấp Khoa + Mẫu sản phẩm các vật liệu nano dẫn điện 6. Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: Hiêu quả: Đề tài mở ra một hƣớng nghiên cứu mới về màng sơn chống ăn mòn và chống bám bẩn ở môi trƣờng biển. Màng sơn không sử dụng các độc tố để chống hàu hà nên có ý nghĩa trong việc bảo vệ hệ sinh thái biển. Việc thay thế Crôm VI bằng các polymer dẫn điện để chống lại quá trình ăn mòn kim loại cũng đƣợc cho là có ý nghĩa to lớn trong việc cắt giảm các tác nhân nguy hại đến sức khỏe con ngƣời và môi trƣờng sống. Đề tài cũng góp phần hỗ trợ cho các hoạt động nghiên cứu khoa học của sinh viên. Phƣơng thức chuyển gia kết quả nghiên cứu: không có đơn vị phối hợp thực hiện đề tài, không đăng ký chuyển giao kết quả nghiên cứu. 7. Hình ảnh, sơ đồ minh họa chính Ngày 24 tháng 09 năm 2018 Cơ quan Chủ trì (ký, họ và tên, đóng dấu) Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên) 1,0E+04 1,0E+05 1,0E+06 1,0E+07 1,0E+08 1,0E+09 0 50 100 150 200 250  Z  0 ,0 2 H z ( O h m .c m 2 ) Thời gian ngâm (giờ) PVB PVB-1 PVB-2 Sau 3 tuần Sau 6 tuần Sau 4 tháng PVB PVB-1 PVB-2 Sơn chống hàu thƣơng mại (a) (b) (c) (d) Vật liệu nano dẫn điện Information on research results: 1. General information: - Project title: Study on preparation of a novel environmentally friendly anticorrosion and antifouling coating based on conductive nanomaterials - Code number: B2016-ĐN02-01 - Project Leader: Dr. Phan The Anh - Coordinator: Dr. Duong The Hy, Ms. Vo Cong Tuan and Ms. Phan Thanh Son - Implementing institution: The University of Dannang, University of Science and Technology - Duration: 24 months, from 10/2016 to 9/2018. 2. Objective(s): Create a novel environmentally friendly anticorrosion and antifouling coating to serve for marine constructions. 3. Creativeness and innovativeness: The main focus of this research proposal is to carry out a proof-of-concept study into the use of conductive nanomaterials in the simultaneous prevention of corrosion and biofouling. 4. Research results: Conductive nanomaterials used for anticorrosive and antifouling coatings in this study include polyaniline (PANI, a conductive polymer) and carbon nanotubes (CNT). Co-pigments are zinc powder and TiO2 commercial. Polyvinyl butyral (PVB) is used as a binder for the anticorrosion coating. To increase the applicability, commercial anti-rust paint is selected to add conductive nanomaterials for the antifouling performance tests. The CNT is synthesized in the laboratory according to the published process and used as a conductive pigment. Synthesis and characterization of conductive nanomaterial only focuses on PANI. The obtained results are as follows: First, decylphosphonic acid (DPA) used as dopant for poyaniline (PANI) and corrosion inhibitor was synthesized in the laboratory through a simple and high yield (up to 87%) pathway. 1 H and 13 C-NMR as well as FTIR spectroscopy were used to characterize chemical structures and purity of the obtained product. Thermal properties of DPA were investigated using differential scanning calorimetry analysis (DSC) and thermogravimetric analysis (TGA). Second, synthesis and characterization of PANI were carried out by the concentration change of H3PO4 from 0.1 M, 0.2M, 0.5M to 1M and the different types of acid such as HCl, H3PO4 and DPA. Results indicate that the used acid concentration strongly influences on yield and shape of the PANI particles. Maximum yield was reached when the PANI was prepared in H3PO4 0.5M. PANI nanofibers with an average diameter of 200 nm were formed in H3PO4 0.1M. PANI synthesized in presence of DPA (PANI- DPA) shows a high molecular weight and less sulfonated structure. PANI synthesized in the medium of strong acid (HCl) has higher conductivity (3.79 S.cm -1 ) and greater yield (95%) than PANI synthesized in the medium of weak acid (conductivities: 0.23 S.cm -1 for H3PO4 and 3.01 S.cm - 1 for DPA, yields: 86% for H3PO4 and 87% for DPA). Third, anticorrosion performance of coatings containing PANI was investigated at 0.5, 2 and 15 wt%. Results indicate that the coatings containing PANI show a better anticorrosion performance than the coating without PANI. At the PANI ratio of 2 wt%, the coating gives the best anticorrosion performance. Coating containing conductive PANI (PANI- ES) exhibit better anticorrosion performance than that containing non- conductive PANI (PANI-EB). Coating containing PANI synthetisized in presence of DPA (PANI-DPA) show a better anticorrosion performance than that containg PANI others. Finally, the anticorrosion and antifouling performance of coating containing conductive nanomaterials were investigated. The obtained results show that the mixing of conductive nanomaterials in the coating increased the anticorrosion performance for the first 150 hours of test and increased the antifouling performance for 4 months. 5. Products: - T.Anh Phan, Francois Xavier Perrin and Lam Nguyen-Dinh, Synthesis and characterization of decyl phosphonic acid, applications in emulsion polymerization and anti-corrosion coating, Korean Journal Chemical Enginerring, volume 35(6), p. 1365-1372, 2018. - Phan The Anh and Nguyen Dinh Lam, Synthesis and influence of polyaniline content on anticorrosion performance, Journal of Science and Technology, The University of Danang, volume 11(108), p. 1-6, 2016. - Phan The Anh and Nguyen Dinh Lam, Effect of dopant nature on physicochemical properties and anticorrosion performance of polyaniline, Vietnam Journal of Chemistry, volume 4E2355, p. 1-6, 2017. - 2 students participate scientific research activities - 2 seminar - Samples of conductive nanomaterial. 6. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability: The research opens a new study field on anticorrosion and antifouling coating. Biocide-free antifouling coating are meant to protect marine ecosystems. The replacement of chromium VI with conductive polymers for anticorrosion is also considered to be of great significance in reducing of harmful agents on human health and environment. The project also contributes to the research activities of student. Đề tài KH&CN cấp Đại học Đà Nẵng Chủ nhiệm đề tài: TS. Phan Thế Anh Trang: 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Bảo vệ các công trình biển và ven biển luôn nhận đƣợc sự quan tâm đặc biệt không những đối với các nhà khoa học mà cả các nhà quản lý, không những trong lĩnh vực chống ăn mòn điện hóa mà cả lĩnh vực sinh học biển, bởi đây là một vấn đề khá phức tạp, tốn nhiều chi phí và mang tính toàn cầu. Theo thống kê Hải đội Hoa Kỳ phải bỏ ra khoảng 56 triệu dollar/năm cho việc chống bám dính của các loài hàu, hà (anti-fouling) [1] và cả thế giới phải tiêu tốn khoảng 1.5-2 nghìn tỷ dollar/năm (chiếm 3% GDP) cho việc chống ăn mòn kim loại [2]. Việc rêu, tảo, hàu, hà bám vào mạn tàu thuyền đã làm gia tăng lực cản, tăng khối lƣợng của tàu và tăng độ nhám của bề mặt, điều này dẫn đến việc làm giảm tốc độ và tăng lƣợng tiêu thụ nhiên liệu trong quá trình vận hành. Lƣợng khí thải vì thế mà tăng cao ảnh hƣởng