Công nghệ bọc composite để tăng tuổi thọ cho các kết cấu thép Cacbon làm việc trong môi trường biển

1. Đối tượng nghiên cứu

Vật liệu composite có khả năng bảo vệ chống ăn mòn các kết cấu thép làm việc trong môi trường biển. Vật liệu composite theo yêu cầu phải kín, không ngấm nước, chịu được một số tải trọng tác dụng nhất định, ít bị phá hủy theo thời gian, đặc biệt phải bám dính tốt vào bề mặt thép cần bảo vệ khi làm việc trong môi trường biển.

2. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu dựa trên kết quả thực nghiệm để kiểm chứng việc phân tích và lựa chọn các thành phần vật liệu theo lý thuyết, nội dung tiến hành thực nghiệm như sau:

- Dựa vào kinh nghiệm thực tế và kết quả nghiên cứu [2], tỉ lệ phần trăm sợi và nền theo thực nghiệm đảm bảo vật liệu đạt độ bền cao nhất, đồng thời đảm bảo kín nước theo tỉ lệ: 40% sợi + 60% resin, với tỉ lệ xúc tác bằng 10% khối lượng resin.

- Phương pháp xử lý bề mặt để tăng độ bám dính của lớp phủ composite lên bề mặt thép cần bảo vệ:

+ Phun cát tạo độ nhám bề mặt đạt giá trị trung bình là: 60mm [6].  

+ Phốt phát hóa bề mặt sau khi tạo nhám vừa làm sạch bề mặt, cộng với sự có mặt của H₃PO₄ sẽ tác dụng làm thụ động bề mặt thép (tăng khả năng chống ăn mòn) [3].

Với các lựa chọn xử lý trên, số mẫu tiến hành thí nghiệm như sau:

- Thực nghiệm cơ tính: kéo, uốn, va đập - mỗi loại 5 mẫu: 3 x 5 = 15 mẫu.

- Thực nghiệm độ bám dính: mẫu được xử lý sạch và tạo độ nhám bằng phun cát, phủ composite, gồm loại phủ composite và loại phủ composite + lớp lót primers Swancor 984M - mỗi loại 5 mẫu: 2 x 5 = 10 mẫu.

- Thực nghiệm ăn mòn và hấp phụ nước: loại mẫu được phủ 1 lớp Mat, 1 lớp lụa và mẫu 2 Mat, 1 lụa + 2 phương pháp xử lý mẫu (không phốt phát hóa và phốt phát hóa) - mỗi loại 6 mẫu: 2 x 2 x 6 = 24 mẫu.

Tổng số lượng mẫu là: 49 mẫu.

3. Kết quả nghiên cứu

- Kiểm tra cơ tính vật liệu composite được thực hiện tại Viện nghiên cứu chế tạo tàu thủy - Trường ĐH Nha Trang trên thiết bị thử kéo, uốn, của Anh: HOUNSFEILD H50K - S, thử va đập của Mỹ: Tinius Olsen, thang đo từ 0 ÷ 460 Jun. Phương pháp thử: TCVN 6282 - 2003. Kiểm nghiệm cơ tính nhằm xác định tải trọng mà lớp phủ bảo vệ có thể chịu được.

- Kiểm nghiệm bám dính mục đích xác định khả năng bám dính của lớp phủ composite với vật liệu nền cần bảo vệ. Phương pháp thử theo ASTM D1876 - 95, trên thiết bị thử kéo, uốn của Anh: SANS -  CHT - 4206.

- Việc đánh giá sự thay đổi tính năng bảo vệ mẫu sau mỗi chu kỳ thử nghiệm có thể tiến hành bằng phương pháp điện hóa như nhiễu điện hóa (electrochemical noise) hay tổng trở điện hóa (electroimpedance)... Phương pháp tổng trở điện hóa được sử dụng rộng rãi bởi vì nó khá đơn giản và hữu hiệu [4]. Đo tổng trở điện hóa trên thiết bị đo tổng trở điện hóa - kiểm tra ăn mòn Auotlab PGS.30.

4. Kết luận

Với lớp phủ làm từ vật liệu composite sợi thủy tinh, nhựa vinyleste có các thành phần vật liệu theo tỉ lệ 40% sợi/60 nhựa, khối lượng xúc tác bằng 10% khối lượng nhựa hoàn toàn đáp ứng được các chỉ tiêu về biến dạng tương đối (e) so với thép, và chỉ tiêu độ bền (s) mà yêu cầu đề tài đặt ra. Ngoài ra với lớp phủ composite, bề mặt làm việc của kết cấu thép có thể chịu được năng lượng va đập đến 5.2 J mà không bị bong tróc.

Để tăng khả năng bám dính của lớp phủ vào thép, có thể sử dụng lớp lót Swancor 984M làm “keo dán”. Với lớp lót này, khả năng bám dính của lớp phủ được tăng lên đáng kể (tăng >2,4 lần so với lớp phủ composite không có lớp lót). Đồng thời với việc sử dụng lớp lót thì chuẩn bị bề mặt thép đạt độ nhám theo quy định cũng có ý nghĩa vô cùng quan trọng để nâng cao độ bám dính của lớp phủ vào kết cấu thép.

Để tăng khả năng bảo vệ của lớp phủ, bảo vệ kết cấu thép lâu bị ăn mòn nhất, cần phải phốt phát hóa kết cấu thép cần phủ trong dung dịch phốt phát H₃PO₄. Lớp phủ này có tác dụng làm thụ động hóa bề mặt thép, đồng thời giúp liên kết tốt hơn giữa lớp phủ composite và bề mặt kết cấu thép cần bảo vệ.

Với các kết quả đạt được nêu trên, chúng ta nhận thấy với vật liệu composite có các thành phần được lựa chọn như trong đề tài nghiên cứu hoàn toàn có thể sử dụng để bọc phủ bảo vệ các kết cấu thép làm việc trong môi trường biển.

Tác giả: Phan Quang Nhữ - Trường Đại học Nha Trang

XEM TOÀN VĂN BÁO CÁO TẠI ĐÂY./.