Nghiên cứu chế tạo chất trám EP-0010 sử dụng trong bảo dưỡng lớp vỏ tàu ngầm - Nguyễn Đình Dương

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học – Vật liệu, 10 - 2015 69 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CHẤT TRÁM EP-0010 SỬ DỤNG TRONG BẢO DƯỠNG LỚP VỎ TÀU NGẦM Nguyễn Đình Dương*, Võ Hoàng Phương, Nguyễn Việt Hưng, Nguyễn Thị Hương, Nguyễn Ngọc Sơn Tóm tắt: Chất trám EP-0010 được chế tạo theo GOST 28379-89 (Nga), định hướng ứng trong bảo dưỡng lớp vỏ của tàu ngầm. Bài báo nghiên cứu khảo sát hàm lượng của chất hóa rắn (hecxa metylendiamin) đến thời gian khô của màng, khả năng đóng rắn của chất trám và đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật của chất trám. Chất trám chế tạo được có màu nâu đỏ, các chỉ tiêu kỹ thuật tương đương GOST 28379-89, đặc biệt vật liệu có độ bề nhiệt lớn hơn 300 oC và đến gần 500 oC vật liệu mới bị phân hủy hoàn toàn. Từ khóa: Chất trám EP-0010, Vỏ tàu ngầm, Chất hóa rắn. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Những năm 80 của thế kỷ 20, Liên Xô đã nghiên cứu chế tạo thành công loại chất trám hai thành phần EP-0010 dùng để làm trám, kín khít các bề mặt trước khi sơn bảo vệ tiếp theo [1]. Lớp chất trám này có tác dụng làm phẳng nền sơn sau lớp lót, tăng độ bám dính của các lớp sơn tiếp theo cũng như góp phần quan trọng đến tính năng bảo vệ của màng sơn. Chất trám này được chế tạo trên cơ sở nhựa epoxy biến tính, đây là loại nhựa có khả năng bám dính rất cao, có độ dai chắc, độ bóng cao, chịu mài mòn, chịu dung môi hóa chất tốt [2,3]. Trong quá trình bảo dưỡng định kỳ lớp vỏ tàu ngầm thì chất trám EP-0010 được sử dụng để sửa chữa lớp vật liệu bảo vệ bề mặt thép bên trong của tầu ngầm chống tác động ăn mòn kim loại. Ngoài ra, lớp vật liệu này còn có tác dụng như một lớp lót (lớp trung gian) để liên kết giữa lớp kim loại và lớp cao su cách âm của vỏ tàu ngầm. Bài báo nghiên cứu xây dựng quy trình chế tạo chất trám, đánh giá và so sánh các chỉ tiêu kỹ thuật của chất trám so với chất trám được chế tạo theo GOST 28379-89 của Nga. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Quy trình chế tạo chất trám 2.1.1. Các hóa chất sử dụng để chế tạo chất trám Nhựa epoxy KUKDO YD-128 (Hàn Quốc), đương lượng khối lượng, g/eq: 220; độ nhớt, cPs tại 25oC: 12.500; tỷ trọng, 20 0C: 1,17; thủy phân clo, % khối lượng: 0,05. Chất hóa rắn: hecxa metylendiamin (HMDA) của Đức, khối lượng đương lượng hydro hoạt động trong phân tử amin (AHEW), g/eq: 21; nhiệt độ nóng chảy, 0C: 40; áp suất hơi ở 20oC, hPa: 0,27. Hóa học và Kỹ thuật môi trường N.Đ.Dương, V.H.Phương, , “Nghiên cứu chế tạo chất trám EP-0010 vỏ tàu ngầm.” 70 Chất hóa dẻo: Dibutyl phthalat (DBP) (Đức), khối lượng riêng, g/cm3: 1,05; nhiệt độ chớp cháy, oC: 390. Một số phụ gia: Bột độn, chất chống tạo bọt- BYK 530 (Đức), chất thấm ướt, phân tán- Disperbuk 110 (Đức). 2.1.2. Quy trình chế tạo chất trám Quy trình chế tạo được thể hiện như trong sơ đồ hình 1. Chất trám được tạo thành khi trộn hỗn hợp bột nhão gồm thành phần 1 và thành phần 2 với chất hóa rắn đến khi tạo thành dung dịch đồng nhất theo tỷ lệ cho phép. Thời gian trộn từ 3-5 phút, hỗn hợp này có thể được sử dụng tối đa là 7h. Hình 1. Sơ đồ quy trình chế tạo chất trám EP-0010 hai thành phần. 2.2. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp phổ hồng ngoại, phân tích nhiệt, xác định thời gian gel hóa, độ thấm ướt bề mặt của chất trám: được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng chất hóa rắn, thời gian hóa rắn, khả năng chịu nhiệt của mẫu chất trám. Phổ hồng ngoại của mẫu được chụp bằng phương pháp ép viên KBr, trên thiết bị Nicolet 170 SX Fourier với bước sóng từ 400-4000 cm-1, thời gian quét 30 phút. Phương pháp phân tích nhiệt được thực hiện trên máy Shimadzu TGA-50 của Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học – Vật liệu, 10 - 2015 71 Nhật. Thời gian gel hóa của chất trám được xác định trên thiết bị Gelnorm/Gel Instrumente AG của Mỹ. Các chỉ tiêu kỹ thuật chính của mẫu chất trám được xác định theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) bao gồm: độ nhớt được xác định theo TCVN 2092-1993; xác định hàm lượng chất không bay hơi theo TCVN 2093-1993; độ bền uốn được xác định theo TCVN 2099 - 2007; độ bền va đập được xác định theo TCVN 2100 - 2007. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng chất hóa rắn tới thời gian hóa rắn của chất trám Theo quy trình chế tạo chất rắn cho tại hình 1, thời gian gel hóa của chất trám được khảo sát sau khi đã pha trộn 2 thành phần với tỉ lệ chất hóa rắn khác nhau. Bảng 1 cho biết ảnh hưởng của hàm lượng chất hóa rắn đến thời gian gel hóa như sau: Hình 2. Biểu đồ ảnh hưởng của chất hóa rắn tới thời gian gel hóa. Trên cơ sở khảo sát theo tính toán phần hóa rắn HMDA theo khối lượng phần nhựa là 12%, tiến hành thử nghiệm theo các tỉ lệ hóa rắn khác nhau với cả hai phương pháp trát và phun. Kết quả đo thời gian gel hóa đạt yêu cầu ở 8%, 10% và 12% phần khối lượng. Tuy nhiên, để đáp ứng được theo tỷ lệ chất hóa rắn/ phần nhựa epoxy đảm bảo thời gian khô của màng trám và các chỉ tiêu kỹ thuật của chất trám theo GOST 28379-89 của Nga thì tỷ lệ chất hóa rắn 12% cho kết quả khảo sát đạt kết quả tốt nhất. 3.2. Ảnh hưởng của chất hóa rắn đến thời gian khô của chất trám Phổ hồng ngoại của các mẫu chất trám với thời gian để khô từ 4 đến 24 giời , khi hàm lượng chất đóng rắn được sử dụng là 12 % và phổ hồng ngoại của nhựa YD-128 được cho tại hình 3. Kết quả đo phổ hồng ngoại của mẫu YD-128 tại hình 3(b) có sự xuất hiện của các pic đặc trưng cho dao động của nhựa epoxydian, tại bước sóng 3482,82 cm-1 và 3494,97 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị của nhóm –OH trong phân tử. Các pic Hóa học và Kỹ thuật môi trường N.Đ.Dương, V.H.Phương, , “Nghiên cứu chế tạo chất trám EP-0010 vỏ tàu ngầm.” 72 tại bước sóng2944,36 cm-1 và 2982,93 đặc trưng νCH no (- CH2, CH3) với cường độ pic lớn. Trong khi đó, kết quả phổ hồng ngoại theo thời gian của mẫu chất trám tại hình 3(a) cho thấy có các pic trong vùng bước sóng từ 3000 đến 3600cm-1 đặc trưng của liên kết N-H của amin của chất đóng rắn. (a) (b) Hình 3. Phổ hồng ngoại của chất trám tại thời gian để khô 24, 8, 6, 4 giờ (a); YD-128 (b). Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học – Vật liệu, 10 - 2015 73 Khi thời gian khô của chất trám tăng dần từ 4h đến 24h thì các pic xuất hiện trong vùng 3000 đến 2500 cm-1 mất dần đồng thời các pic trong vùng bước sóng từ 3000 đến 3500 cm-1cho chân rộng hơn và tù hơn điều đó có thể được giải thích là do: Quá trình đóng rắn của chất trám theo cơ chế mở vòng oxyran của nhóm epoxy tạo ra sản phẩm mạng không gian nhờ tác nhân đóng rắn chứa nguyên tử hidro (hexametylendiamin) sẽ tạo thành với oxi của nhóm epoxy thành những nhóm hydroxyl mới như phương trình sau: R NH2 + CH2 CH CH2 O R NH CH2 CH CH2 OH R NH CH2 CH CH2 OH + CH2 CH CH2 O R CH CH2 CH CH2 OHCH2 CH OH CH2 Khi đó theo thời gian các vòng oxyran sẽ mất dần, cùng với đó là có sự xuất hiện của các nhóm hydroxyl (OH) của rượu và các pic có bước sóng trong vùng từ 800 đến 1250 cm-1 (như đối với mẫu 24h là 860 và 1229cm-1) đặc trưng cho dao động hóa trị của nhóm epoxy có cường độ giảm dần, đặc biệt các pic này có cường độ nhỏ hơn rất nhiều so với hai pic bước sóng1248,98 cm-1 và 1037,95 cm-1 đặc trưng dao động hóa trị của nhóm C-O trong vòng epoxy của mẫu YD-128. Ngoài ra, hình3 (a) có pic tại bước sóng 3500 cm-1 có cường độ tăng dần khi thời gian làm khô tăng chứng tỏ phản ứng giữa nhựa epoxy và chất đóng rắn đã xảy ra và mức độ chuyển hóa cao [4,5]. 3.3. Các chỉ tiêu kỹ thuật chính của chất trám 3.3.1. Khả năng chịu nhiệt của chất trám 100 200 300 400 500 Temperature /°C 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 TG /% -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 DTG /(%/min) Mass Change: -44.86 % Peak: 340.4 °C, -9.69 %/min [1] [1] Hình 4. Giản đồ phân tích nhiệt của hệ chất trám EP-0010. Hóa học và Kỹ thuật môi trường N.Đ.Dương, V.H.Phương, , “Nghiên cứu chế tạo chất trám EP-0010 vỏ tàu ngầm.” 74 Từ kết quả tại hình 4, cho ta thấy hệ chất trám dùng nhựa epoxy YD 128/ HMDA có độ bền nhiệt khá cao, ở nhiệt độ gần 300oC thì bắt đầu xảy ra hiện tượng giảm khối lượng và ở trên 300C độ tổn hao tăng dần theo nhiệt độ và có sự giảm khối lượng rất mạnh do tăng tốc độ phân hủy ở 340C . Đến gần 500C vật liệu gần như bị phân hủy hoàn toàn, sự suy giảm khối lượng ở nhiệt độ này là 44,86%. 3.3.2. Một số tính năng cơ lý của chất trám chế tạo được Bảng 1. Các chỉ tiêu kỹ thuật của chất trám chế tạo được khảo sát theo các tiêu chuẩn hiện hành và so sánh với chỉ tiêu kỹ thuật của chất trám EP-0010 (GOST 28379-89). TT Thông số kỹ thuật Mẫu chất trám EP 0010 theo tiêu chuẩn của Nga [6] Mẫu sản phẩm 1 Độ nhớt theo VZ 246 ở nhiệt độ 20 ± 0,5 °C (s) 30-45 42 2 Hàm lượng chất không bay hơi (%) ≥ 90 92,3 3 Thời gian khô mức 4 (h) + Ở nhiệt độ 20 ± 2 °C + Ở nhiệt độ 65± 70 °C ≤ 24 ≤ 7 23,167 6,5 4 Độ bền uốn, mm ≤50 2 5 Độ bền va đập,kg/cm ≥ 40 200 6 Thời gian sống sau khi pha trộn (h) + Phương pháp phun + Phương pháp trát ≥ 6 ≥ 1,5 7,167 2,417 7 Độ hấp thụ nước (%) ≤ 0,8 0,632 Từ kết quả tại bảng 3 cho thấy mẫu chất trám chế tạo được có tính năng tương đương với các chỉ tiêu kỹ thuật chính của chất trám của Nga theo tiêu chuẩn GOST 28379-89. 4. KẾT LUẬN Bài báo đã khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng chất hóa rắn tới thời gian hóa rắn, thời gian khô của chất trám, đánh giá độ bền nhiệt và các chỉ tiêu kỹ thuật của chất trám chế tạo được. Kết quả nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng của hàm lượng chất hóa rắn 12 % đến thời gian khô của màng và khả năng đóng rắn của chất trám thì các chỉ tiêu kỹ thuật của chất trám chế tạo được có giá trị tương đương với GOST 28379-89 của Nga. Chất trám có độ bề nhiệt khá cao, tại 300oC thì bắt đầu xảy ra hiện tượng giảm khối lượng và ở trên 300C độ tổn hao tăng dần theo nhiệt độ, phải đến 500C thì chất trám mới bị phân hủy hoàn toàn. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học – Vật liệu, 10 - 2015 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Việt Bắc, “Keo dán kỹ thuật - Giáo trình cao học”, Nhà xuất bản QĐND, 2003. [2]. M van Alphen, “Paint film components”, National Environmental Health Forum Monographs, general Series No. 2, Glenelg press, 1998. [3]. T.M. Goulding, “Epoxy resin Adhesives” in chapter 43 Handbook of Adhesives Technology, second Edition, Jonhannesburg, 1996. [4]. Mark Maurice. J, Pham Ha. Q. “Epoxy resins”, Wiley- VCH Verlag GmbH & Co, 2005. [5]. Gaemy M and Riaahy M.H, “Kenetics of Anhydride and polyaminde Curing of Bisphenol A- Based Diglycidyl Ether Using DSC”, Euro Polymer Journal, Vol.32 (10), 1996. [6]. ГОСТ 28379-89: Шпатлевки ЭП-0010 и ЭП-0020. Технические условия. ABSTRACT STUDY ON PUTTY EP-0100 USED IN MAINTENANCE OF SUBMARIEN CRUST Putty EP-0010, oriented to the maintenance of submarine crust, is produced according to GOST 28379-89 (Russia).This paper researches the hardener content which effects on the drying time of film, on solidification ability of EP-0010. This paper also assesses properties of EP-0010.This substance is reddish brown and its properties equals GOST 28379-89. Especially, the heat-resistant ability of this materials is greater than 3000C and this is completely decomposed at near 5000C. Keywords: Putty EP-0010, Submarien crust, Hexamethylenediamine. Nhận bài ngày 09 tháng 6 năm 2015 Hoàn thiện ngày 30 tháng 7 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 07 tháng 09 năm 2015 Địa chỉ: Viện Hóa học- Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự. * Email : Duonghhvl@yahoo.com.vn