Nghiên cứu chế tạo lớp phủ chống bám bẩn sinh học cho vật liệu cao su trong môi trường biển - Nguyễn Đình Chinh

Hóa học & Kỹ thuật môi trường N. Đ. Chinh, T. P. Chiến, “Nghiên cứu chế tạo lớp phủ cao su trong môi trường biển.” 352 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHỦ CHỐNG BÁM BẨN SINH HỌC CHO VẬT LIỆU CAO SU TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN Nguyễn Đình Chinh*, Trần Phương Chiến Tóm tắt: Bám bẩn sinh học có thể xảy ra trên bề mặt các cấu trúc bằng cao su như ngói bọc tàu ngầm, thiết bị chống va đập ngành hàng hải và vì thế làm chúng mất đi tính năng kỹ thuật và giảm tuổi thọ. Tuy nhiên, nghiên cứu và ứng dụng chất phủ chống bám bẩn sinh học lên bề mặt vật liệu cao su còn hạn chế. Bài báo này trình bày một số kết quả ban đầu về phương pháp chế tạo chất phủ chống bám bẩn sinh học cho vật liệu cao su. Chất phủ này được chế tạo từ tổ hợp Ethylene Propylene Diene Monomer (EPDM) và cao su thiên nhiên (NR), Oxit Đồng (I) được sử dụng làm độc tố chính chống bám bẩn sinh học [1]. Kết quả đo độ bám dính của chất phủ lên bề mặt cao su isoprene (≈70% isoprene) và thử nghiệm chống bám bẩn sinh học tại vịnh Cam Ranh cũng được trình bày và thảo luận trong bài báo này. Từ khóa: Cao su kỹ thuật, Bám bẩn sinh học, Chất chống bám bẩn sinh học. 1. MỞ ĐẦU Các cấu trúc bằng vật liệu cao su trong ngành hàng hải khi bị bám bẩn sinh học sẽ mất đi tính năng kỹ thuật và giảm tuổi thọ đáng kể. Tốc độ bám bẩn sinh học lên đệm giảm chấn ở các cầu cảng hay lên các thiết bị chống va trên tàu thuyền (bằng cao su) ở vùng biển nước ta rất nhanh [2]. Tuy nhiên, nghiên cứu và ứng dụng chất phủ chống bám bẩn sinh học lên bề mặt vật liệu cao su còn nhiều hạn chế. Cục Kỹ thuật/Bộ Tư lệnh Hải quân cũng đã nghiên cứu sử dụng một loại sơn để ngăn hà cũng như bám bẩn sinh học lên vỏ tàu ngầm [3], nhưng độ bám dính của sơn lên bề mặt cao su không đạt được như mong muốn. Vấn đề đặt ra hiện nay là tạo ra chất phủ vừa có tính năng ngăn bám bẩn sinh học vừa phải có độ bám dính tốt lên vật liệu cao su. Nghiên cứu này đặt mục tiêu chế tạo thử nghiệm loại chất phủ chống bám bẩn sinh học cho cao su kỹ thuật trong môi trường biển. Cách tiếp cận cơ bản là chất phủ phải đi từ vật liệu cao su thích hợp, có độ dãn nở nhiệt và đàn hồi tương tự với vật liệu cao su cần bảo vệ [3]. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Các phương pháp thử nghiệm vật liệu - Độ bám dính được đo theo tiêu chuẩn TCVN 1596:2006 - Độ bền môi trường của vật liệu được đánh giá thông qua hệ số già hóa của vật liệu được đo theo tiêu chuẩn ASTM G155 ở nhiệt độ phòng. - Phương pháp cố định lượng nước ngâm được sử dụng để kiểm tra tốc độ nhả độc gia tốc trong phòng thí nghiệm. 2.2. Phương pháp chế tạo chất phủ chống bám bẩn sinh học - Lựa chọn chất nền: Sử dụng 03 loại cao su chịu thời tiết là Cao su Neoprene, Cao su Nitril và Cao su EPDM làm chất nền để tạo ra các chất phủ chống bám bẩn sinh học khác nhau. Cao su EPDM cho kết quả độ bền kéo bóc là 4,1 N/mm, tốt hơn so với Cao su Neoprene (3,6 N/mm) và Cao su Nitril (2,8 N/mm) được chọn làm chất nền. Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san NĐMT, 09 - 2017 353 - Tạo tổ hợp EPDM và cao su thiên nhiên (NR) để tăng độ bám dính. Kết quả khảo sát độ bám dính: Độ bám dính tăng theo hàm lượng cao su thiên nhiên 0; 5; 10; 15; 20% (so với EPDM) tương ứng là 4,1; 4,3; 4,4; 4,5; 4,5 N/mm. Tổ hợp với thành phần NR là 15% cho kết quả độ bám dính là 4,4 N/mm và hệ số già hóa là 91% được chọn làm chất nền. - Phôi trên cơ sở chất nền và đơn phối liệu lựa chọn (Bảng 1) được hòa tan với dung môi n-Hexan, sản phẩm cuối cùng ở dạng lỏng với độ nhớt VZ4 là 60 giây. - Ba mẫu chất chống bám bẩn sinh học với hàm lượng Cu2O tương ứng là 45; 50; 55 % được chế tạo (CH1, CH2, CH3) nhằm khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Oxit đồng đến tính năng của chất phủ chống bám bẩn sinh học này. Bảng 1. Thành phần chất phủ chống bám bẩn sinh học. STT Thành phần Chất phủ chống bám bẩn sinh học CH1 CH2 CH3 1 EPDM 100 100 100 2 Cao su thiên nhiên 10 15 20 3 Bột than đen 10 10 10 4 Bột Cu2O 45 50 55 5 ZnO 6 6 6 6 Acid Stearic 1 1 1 7 Xúc tiến EZ 5 5 5 8 Xúc tiến TMTD 0.2 0.2 0.2 9 Xúc tiến MBT (M) 1 1 1 10 DTDM 1 1 1 11 Xúc tiến DM 1 1 1 12 Phòng lão RD 1 1 1 13 Phòng lão 4020 2 2 2 14 Dung môi n-Hexan Vừa đủ Vừa đủ Vừa đủ 2.3. Tạo mẫu cao su mục tiêu và thử nghiệm tại hiện trường Mẫu cao su mục tiêu được sử dụng là cao su isoprene (≈70% isoprene) có kích thước 20 x 15 x 1 cm. Lớp chất chống bám bẩn sinh học dày 100-150 µm. Thử nghiệm thực tế được tiến hành tại cầu cảng số 3, lữ 162, vịnh Cam Ranh. Thời gian thử nghiệm là 4 tháng. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Khảo sát độ bám dính và hệ số già hóa Kết quả cho thấy độ bám dính tăng khi tỷ lệ NR tăng từ 0 đến 15%. Hệ số già hóa giảm khá đều theo mức tăng của thành phần cao su thiên nhiên (hình 1). Hóa học & Kỹ thuật môi trường N. Đ. Chinh, T. P. Chiến, “Nghiên cứu chế tạo lớp phủ cao su trong môi trường biển.” 354 .Hình 1. Mối quan hệ tỷ lệ hàm lượng NR với hệ số già hóa và độ bền kéo bóc. Trên cơ sở mối quan hệ hàm lượng NR với độ bám dính và hệ số già hóa tổ hợp EPDM/NR với hàm lượng NR là 15 % có hai chỉ tiêu ở mức chấp nhận, được chọn làm chất nền để chế tạo chất phủ chống bám bẩn sinh học. 3.2. Đánh giá nhả độc trong phòng thí nghiệm Tốc độ thôi nhiễm được thể hiện trong biểu đồ hình 2. Tốc độ thôi nhiễm giảm, có thể do nồng độ ôxít đồng trong nước biển tăng đến mức gần bão hòa. Tốc độ thôi nhiễm đến ngày 60 của cả 3 mẫu đều giảm ổn định đến giá trị 7,6-8,0 µg/cm2/ngày. Đối chiếu kết quả thôi nhiễm có thể kỳ vọng thời gian hiệu lực chống bám bẩn sinh học của chất phủ này trong điều kiện tĩnh có thể trên hai tháng. Hình 2. Tốc độ thôi nhiễm độc tố của các mẫu chất phủ chống hà. 3.3. Kết quả thử nghiệm tại hiện trường Hiệu quả chống bám bẩn sinh học được khảo sát trên 04 nhóm mẫu gồm mẫu đối chứng (M0-không phủ chất chống bám bẩn sinh học), mẫu M1 phủ chất chống bám bẩn sinh học CH1, mẫu M2 phủ chất CH2 và mẫu M3 chủ chất chống bám bẩn sinh học CH3. Thời gian khảo sát là 4 tháng. Sau 1 tháng mẫu đối chứng đã xuất hiên hiện tượng bám bẩn sinh học rõ rệt (hình 3). Sau 3 tháng tất cả các mẫu điều bị hàu, hà, bám bẩn sinh học, tuy nhiên trên mẫu M3 lượng bám tương đối ít. Sau 4 tháng lượng bám trên mẫu M2 được xác định là ít nhất (bảng 2). Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san NĐMT, 09 - 2017 355 Hình 3. Bám bẩn sinh học quan sát được trên các mẫu thử tại hiện trường. Bảng 2. Khối lượng hàu, hà bám trên các mẫu thử. Các mẫu thử Khối lượng hàu, hà bám (gam) Tỉ lệ theo diện tích (kg/m2) M0 345 11,50 M1 57 1,90 M2 13 0,43 M3 21 0,70 4. KẾT LUẬN - Lựa chọn blend EPDM/NR làm vật liệu nền với tỉ lệ NR là 15% (theo khối lượng EPDM), sử dụng oxit đồng (I) làm độc tố chính chống bám bẩn sinh học; xây dựng đơn phối trộn và chế tạo chất phủ chống bám bẩn sinh học trong nghiên cứu này có tính hợp lý. Độ bám dính của chất phủ lên bề mặt cao su đã được chế tạo đạt yêu cầu. - Kết quả thử nghiệm phủ chất chống bám bẩn sinh học lên cao su tại vùng biển Cam Ranh cho thấy: mức độ hàu, hà, bám bẩn sinh học trên các tấm cao su mẫu là khá nhiều về lượng và nhanh theo thời gian; hiệu quả chống bám bẩn sinh học của lớp vật liệu phủ do đề tài chế tạo là khá rõ rệt trong thời gian thử nghiệm (4 tháng). - Một số hạn chế của nghiên cứu này: Chưa có điều kiện thử nghiệm với mẫu thực là các đối tượng cao su kỹ thuật cụ thể sử dụng trong ngành hàng hải trong đó kể cả ngói cao su bọc tàu ngầm; thời gian thử nghiệm ngắn và số lượng mẫu ít, chưa thử nghiệm được các phương án chất nền và độc tố chống bám bẩn sinh học khác nhau (như asen hay sea-nine 211,) để đưa ra giải pháp hiệu quả nhất. Trong thời gian tới, nhóm tác giả sẽ tiếp tục nghiên cứu và thử nghiệm thêm. Hóa học & Kỹ thuật môi trường N. Đ. Chinh, T. P. Chiến, “Nghiên cứu chế tạo lớp phủ cao su trong môi trường biển.” 356 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Phan Văn Ninh, “Sơn nhả độc chống hà chống bám bẩn”, Tuyển tập các công trình nghiên cứu khoa học – công nghệ, Hà Nội 1995 (194-197). [2]. Nguyễn Việt Bắc, “Môi trường biển đảo Việt Nam và các nguyên nhân hư hỏng trang bị quân sự”, 1994, Tạp chí KH&CN quân sự, số 11. [3].Võ Hoàng Phương, “Nghiên cứu khảo sát và đề xuất công nghệ chế tạo vật liệu sơn sử dụng trong bảo quản, bảo dưỡng tàu ngầm Project 636M”, 2015, Tạp chí nghiên cứu KHCN Quân sự. [4].Sadhan K. De và Jim R. White, “Rubber Technologist’s Handbook”, Smithers Rapra Technology, 2001. ABSTRACT MAKING ANTI-FOULING COATINGS FOR RUBBER MATERIALS IN SEAWATER Biofouling can occur on the rubber structures such as submarine rubber tiles and anti-collision equipments and therefore could loss or/and reduce their technical features and longevity. However, the research and application of anti-fouling coating on the surface of rubber material seems limited. This article presents some preliminary results on the method of making anti-fouling coatings for rubber materials. This coating is made from a blend of Ethylene Propylene Diene Monomer (EPDM) and Natural Rubber (NR). Copper Oxide (I) is used as the main antifouling agent. The results of the adhesion tests of the coating on the surface of isoprene rubber (≈70% isoprene) and of a fouling prevention test at the Cam Ranh bay are also presented and discussed in this article. Keywords: Technical rubber, Biological fouling, Antifouling agent. Nhận bài ngày 01 tháng 7 năm 2017 Hoàn thiện ngày 30 tháng 8 năm 2017 Chấp nhận đăng 15 tháng 9 năm 2017 Địa chỉ: Viện Nhiệt đới môi trường. * Email: 2ndchinh@gmail.com.