Những thách thức đối với sơn kẽm silicat ở nhiệt độ cao – phần 2

Trước khi tạo ra sơn kẽm vô cơ silicat (IOZ) để sử dụng ở nhiệt độ cao – nhiệt độ trên 120°C – chúng ta phải xác định những thách thức chính đối với IOZ trong các điều kiện này.

Michelle Ystad Eriksen, Thạc sĩ Khoa học, Hóa học vật liệu và công nghệ năng lượng
Giám đốc tiếp thị toàn cầu – HPI – Sơn Công nghiệp & Hàng Hải của Jotun.

3 thách thức chính đối với sơn kẽm silicat ở nhiệt độ cao

Như đã thấy trong bài viết trước đó về kẽm ở nhiệt độ cao, có ba thách thức chính:

Lớp sơn phủ IOZ cung cấp khả năng bảo vệ chống ăn mòn thông qua phản ứng điện hóa galvanic. Tốc độ của quá trình này được đẩy nhanh ở nhiệt độ cao, dẫn đến việc tiêu thụ kẽm quá mức và giảm tuổi thọ của lớp sơn phủ so với cùng điều kiện ở nhiệt độ môi trường.
Ở nhiệt độ nóng chảy trên 420°C, kẽm phản ứng với oxy trong không khí để tạo thành kẽm oxit. Kẽm oxit không phải là vật liệu hoạt tính từ phản ứng điện và không thể cung cấp khả năng bảo vệ chống ăn mòn galvanic, từ đó làm giảm tuổi thọ của lớp sơn phủ.
Kẽm oxit chiếm thể tích lớn hơn kẽm kim loại, do đó có thể tạo ra vết nứt tế vi trong các lớp sơn phủ IOZ tương đối dễ vỡ. Vết nứt tế vi cũng có thể xuất hiện do sự co giãn trong chất nền phủ khi nhiệt độ thay đổi hoặc do sự rung động, chuyển động trong quá trình gia công thiết bị tại cơ sở sơn. Bất kỳ vết nứt tế vi nào cũng sẽ làm tăng nhu cầu cung cấp khả năng bảo vệ galvanic đối với kẽm kim loại, từ đó làm giảm tuổi thọ của lớp sơn phủ.

Do ba thách thức này, thị trường có xu hướng chỉ định lớp sơn phủ IOZ với hàm lượng kẽm cao nhất (85% theo trọng lượng) để tối đa hóa khả năng bảo vệ chống ăn mòn galvanic và tuổi thọ của lớp sơn phủ. Để kéo dài thêm tuổi thọ của lớp sơn phủ, một lớp phủ bên ngoài bằng silicon hoặc nhôm silicon được sử dụng để giảm mức độ tiếp xúc của IOZ với oxy và hơi ẩm. Các hệ thống này sẽ hoạt động tốt trong điều kiện hoạt động mà các kết cấu gần như khô ráo; tuy nhiên, ở những khu vực hoạt động theo chu kỳ hoặc có độ ẩm đáng kể, loại hệ thống sơn phủ này có tuổi thọ hạn chế.

Thử nghiệm: cách tăng tuổi thọ của lớp sơn phủ?

Khi tạo ra IOZ hoạt động ở nhiệt độ cao, cần phải loại bỏ và giảm bớt độ nhạy cảm đối với các thách thức trên. Do không thể thay đổi nhiệt độ nóng chảy của kẽm nếu không thêm vào hợp kim, chúng ta phải xem xét các cách thức khác để tăng tuổi thọ của lớp sơn phủ.

Khi đánh giá hiệu suất của lớp sơn phủ IOZ, việc xác định lượng kẽm cần thiết là bước đầu tiên thiết yếu. Đối với mục đích sử dụng chống ăn mòn tổng thể, có rất nhiều tiêu chuẩn liên hệ lượng kẽm với tuổi thọ của lớp sơn phủ; tuy nhiên, các tiêu chuẩn này chỉ có hiệu lực với nhiệt độ lên đến 120°C. Đối với điều kiện hoạt động trên 120°C, lượng kẽm cao nhất thường được khuyến nghị để đạt được tuổi thọ lâu nhất của lớp sơn phủ. Tuy nhiên, câu hỏi được đặt ra là liệu lượng kẽm tăng có thực sự kéo dài tuổi thọ của lớp sơn phủ ỏ nhiệt độ cao hay không.

Để xem xét vấn đề này, các công thức IOZ với ba hàm lượng kẽm khác nhau được áp dụng với các tấm thép và tiếp xúc với nhiệt khô ở 540°C trong bảy ngày. Thử nghiệm này được thực hiện sao cho kẽm tan chảy và phản ứng với oxy trong không khí. Sau đó, các tấm được đặt vào buồng phun muối trong sáu tuần để buộc kẽm bảo vệ galvanic. Như có thể thấy trong Hình 1, tất cả lượng kẽm đều cho thấy sự hình thành của muối kẽm trắng –; chúng chủ yếu được tạo thành từ kẽm oxit và kẽm clorua [1]. Tuy nhiên, các tấm có 80 và 85% trọng lượng kẽm cũng xuất hiện bột oxit sắt màu đỏ, tức là kẽm không thể cung cấp khả năng chống ăn mòn galvanic cho tấm thép nữa.

zinc diffrent stages — Dữ liệu 1: Các tấm được phun kẽm vô cơ (IOZ) ở các cấp độ khác nhau, tiếp xúc với nhiệt độ 540°C trong vòng 7 ngày, sau đó được phun muối trong vòng 6 tuần.

Kết quả dường như chỉ ra rằng lượng kẽm cao hơn sẽ đem lại hiệu suất kém hơn dưới nhiệt độ cao. Điều này hợp lý khi chúng ta xem xét thành phần của lớp sơn phủ IOZ, vì lượng kẽm thấp hơn đồng nghĩa với việc có nhiều chất kết dính và chất trám hơn so với bụi kẽm, và kẽm có thể được bảo vệ tốt hơn trước quá trình oxy hóa khi nhiệt độ vượt quá nhiệt độ nóng chảy của kẽm.

Thêm vào đó, chúng tôi muốn tìm hiểu xem liệu chúng tôi có thể làm giảm thêm quá trình oxy hóa của kẽm khi kẽm được nung trên nhiệt độ nóng chảy, trong khi vẫn đảm bảo chống ăn mòn galvanic hay không. Để đạt được điều này, hai nguyên liệu thô đã được thêm vào lớp sơn phủ; đó chính là các ceramic và vảy thủy tinh Hình 2 cho thấy hình ảnh SEM của lớp màng phủ thu được.

SEM image of an IOZ coating where glass flakes and ceramic spheres have been added to the coating. — Dữ liệu 2: Hình ảnh SEM của lớp sơn phủ IOZ sau khi thêm thành phần sợi thủy tinh và gốm vào trong sơn.

Khối ceramic được sử dụng để tăng thêm trọng lượng của lớp sơn phủ và đẩy các phân tử kẽm lại gần nhau hơn, đảm bảo sự tiếp xúc kim loại giữa các hạt kẽm kể cả khi tải lượng kẽm thấp hơn bình thường. Vảy thủy tinh được sử dụng vì nhiều lý do. Chúng làm giảm quá trình oxy hóa của kẽm. Chúng cũng thêm vào một yếu tố cản trở cho lớp sơn phủ, ngăn nước tiếp cận với kẽm và giảm việc tiêu thụ kẽm quá mức để bảo vệ chống ăn mòn galvanic. Cuối cùng, chúng bổ sung thêm tính linh hoạt cho lớp sơn phủ, qua đó làm giảm các vết nứt tế vi khi kẽm bị oxy hóa và tăng thể tích.

Dữ liệu 3: Hình ảnh sau 7 ngày tiếp xúc với nhiệt lên đến 540°C, sau đó được phun muối trong vòng 6 tuần của tấm panel có hàm lượng kẽm 65%, gia cường vảy thủy tinh, khối cầu ceramic.

Trong Hình 3, chúng ta có thể thấy một tấm có các nguyên liệu thô bổ sung này sau bảy ngày tiếp xúc với nhiệt độ 540°C, tiếp đó là sáu tuần tiếp xúc với phương pháp phun muối. So với các tấm trong Hình 1, tấm này hầu như không có muối kẽm, nhưng quan trọng hơn là không có dấu hiệu của bột oxit sắt. Có nghĩa là IOZ đang bảo vệ chất nền thép với mức tiêu thụ kẽm điều độ hơn, từ đó tăng tuổi thọ của sản phẩm – ngay cả sau khi kẽm đã tiếp xúc với nhiệt độ trên nhiệt độ nóng chảy của nó.

“So với các tấm trong Hình 1, tấm này hầu như không có muối kẽm, nhưng quan trọng hơn là không có dấu hiệu của bột oxit sắt.”

Tuyên bố này được hỗ trợ thêm bằng thử nghiệm ngâm trong nước nóng (Hình 4) nhằm so sánh sản phẩm có 65% trọng lượng kẽm, vụn thủy tinh và khối cầu gốm (trái) với IOZ tiêu chuẩn có 80% trọng lượng bụi kẽm sau sáu tuần tiếp xúc với nước máy ở nhiệt độ 80°C. Sự khác biệt về lượng muối kẽm được hình thành rất rõ ràng, trong đó công thức tiêu chuẩn có mức độ hình thành muối kẽm cao hơn đáng kể. Ngoài ra, tấm có 80% trọng lượng bụi kẽm đã bắt đầu cho thấy sự hình thành của hiện tượng ăn mòn bụi oxit sắt màu đỏ, từ đó chỉ ra rằng lớp sơn phủ đang bắt đầu mất khả năng bảo vệ chống ăn mòn galvanic. Không có bằng chứng về hiện tượng này trên lớp sơn phủ có 65% trọng lượng kẽm.

zinc — Dữ liệu 4: Hình ảnh so sánh sau 6 tuần tiếp xúc với nước máy tại 80°C giữa tấm panel có hàm lượng kẽm 65%, gia cường thêm vảy thủy tinh, khối cầu ceramic (hình trái) và kẽm vô cơ tiêu chuẩn với hàm lượng bột kẽm 80% (hình phải).

Kết luận

Dựa trên các kết quả thử nghiệm ở trên, rõ ràng lớp sơn phủ có hàm lượng kẽm thấp nhất cung cấp khả năng bảo vệ chống ăn mòn theo cơ chế galvanic tốt hơn ở các điều kiện CUI và nhiệt độ cao. Như đã được mô tả trong bài viết này và được minh họa trong các video, kết quả này là do vụn thủy tinh thêm vào một yếu tố cản trở cho lớp sơn phủ và ngăn chặn việc tiêu thụ kẽm quá mức, cũng như khối cầu gốm đẩy các hạt kẽm lại gần nhau hơn để đảm bảo sử dụng tối đa lượng kẽm đã được thêm vào lớp sơn phủ.

Để biết thêm thông tin, vui lòng liên hệ với chuyên viên chăm sóc khách hàng Kevin: kevin@jotun.com.

Tài liệu tham khảo
[1] Zhang, X. G. [1996] Tính chất ăn mòn và điện hóa của kẽm. Plenum Press, trang 169.

The industry coming together: combatting the hidden CUI threat in the energy sector

The fight against corrosion, particularly corrosion under insulation (CUI), is increasingly becoming a main focus for the energy sector. How is the industry addressing this issue and how can risk be reduced? A new standard test procedure that addresses this critical industry challenge might pave the way, so that the energy sector better can maintain steel integrity.

Khám phá

Những thách thức đối với sơn kẽm silicat ở nhiệt độ cao – phần 1

Đây là một sự thật đã được chứng minh, rằng hệ thống sử dụng lớp sơn lót kẽm silicat sẽ có tuổi thọ lâu nhất và cung cấp khả năng bảo vệ chống ăn mòn tốt nhất trong những điều kiện môi trường khắc nghiệt nhất. Tuy nhiên, vấn đề ăn mòn dưới lớp cách nhiệt đã trở thành một vấn đề quan trọng.