1
PHẦN 1
CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 1
MỞ ĐẦU

1.1. Khái niệm chung
1.1.1. Tình hình ăn mòn vật liệu
Vật liệu có thể được chia thành bốn nhóm chính: kim loại và hợp kim, gốm
sứ, polyme và composit. Tất cả các loại vật liệu đều có thể bị ăn mòn và phá
hủy. Tuy nhiên quá trình ăn mòn kim loại và hợp kim đóng vai trò quan trọng
trong thực tế sử dụng, do loại vật liệu này được dùng nhiều nhất và kém ổn định
nhất khi tiếp xúc với môi trường.
Ăn mòn là kết quả của sự tương tác hóa học hay vật lý giữa vật liệu và môi
trường. Ví dụ:
• Sự tạo gỉ trên thép
• Sự oxy hóa mối tiếp xúc điện bằng đồng
• Sự phá hủy PVC dưới tác động của tia cực tím
• Sự ăn mòn gạch chịu lửa trong các lò nung …
Ăn mòn kim loại gây thiệt hại lớn cho nền kinh tế quốc dân. Theo báo cáo
của Ủy ban ăn mòn và bảo vệ Anh thì thiệt hại do ăn mòn ở Anh chiếm 3,5 %
tổng sản lượng quốc dân.
1
Ở Mỹ thì chi phí này vào năm 1982 được đánh giá
khoảng 126 tỷ đô la mỗi năm.
2
Việt nam có khí hậu nóng, ẩm và tỉ lệ sử dụng
kim loại trong công nghiệp còn rất lớn cho nên thiệt hại do ăn mòn còn có thể
lớn hơn nữa.

2
Ví dụ: Khi bị ăn mòn trong môi trường axít, thép sẽ giải phóng khí hydro.
Khí này hấp phụ trở lại trong thép sẽ làm giòn thép.
1.1.3. Chi phí để chống ăn mòn
Chi phí trực tiếp: thay thế thiết bị, chi tiết bị ăn mòn.
Chi phí gián tiếp: sửa chửa, thiệt hại do ngưng sản xuất.
Ví dụ: Chi phí để thay thế sửa chửa một thiết bị trao đổi nhiệt trong nhà
máy điện hạt nhân << mất mát do ngưng sản xuất. Chi phí để thay một ống nước
nóng trong tường của một tòa nhà >> chi phí của ống (giá ống)
Chi phí để bảo vệ: dùng vật liệu chịu ăn mòn thì đầu tư cao hơn, chi phí tạo
các lớp phủ bảo vệ, chi phí bảo vệ điện hóa.
Chi phí phòng ngừa: phải dùng vật liệu có kích thước lớn hơn, chi phí kiểm
tra, bảo dưởng.
1.2. Các dạng ăn mòn và phá hủy vật liệu phi kim
1.2.1. Ăn mòn và phá hủy vật liệu polyme
Sự ăn mòn và phá hủy vật liệu polyme là do đứt liên kết giữa các phân tử
trong polyme. Các liên kết này là liên kết cộng hóa trị, năng lượng liên kết nhỏ
nên rất dễ bị phá hủy dưới các tác động hóa học và vật lý như nhiệt, chùm tia
năng lượng cao.
1.2.1.1. Phân hủy nhiệt và cơ chế phân hủy nhiệt
Khi phân hủy các polyme ở nhiệt độ cao sẽ dẫn đến hai trường hợp:
a) Phân hủy xảy ra bởi sự đứt các liên kết mạch theo một quy luật xác định
CH
2
CH CH
2
R
R
CH
CH

CH
2
C

CH
3
C
O
O CH
3
CH
2
C
CH
3
C
O
O CH
3
+
.

Sự phân hủy các polyme ở nhiệt độ cao thường là sự kết hợp hai cơ chế
trên và tỉ lệ các monome tạo thành dao động từ 0 – 100 % tùy theo loại polyme.
Người ta còn quan sát thấy sự tạo thành các oligome (dime, trime …) và trong
một số trường hợp, tạo thành cấu trúc graphit không bay hơi. Sự phân hủy có thể
xảy ra ở trạng thái rắn cũng như ở trạng thái nóng chảy khi tạo hình.
Sự phân hủy polyme ở nhiệt độ cao được tăng tốc đáng kể khi có mặt oxy.
Trong một số trường hợp, oxy sẽ đốt cháy polyme.
Một đặc điểm quan trọng của polyme là chỉ số oxy tới hạn IOL: tỷ lệ tối


.

Do phản ứng với oxy không khí, các gốc tự do tạo thành có thể tạo mạng
làm hóa cứng, hóa giòn và mất tính đàn hồi của cao su.
Trong một số lớn trường hợp, sự phá hủy do ánh sáng mặt trời thường đi
đôi với oxy hóa dẫn đến giảm khối lượng phân tử và mất một số tính chất cơ
học. Do các polyme thường ít bị thẩm thấu bởi tia cực tím, sự phá hủy do ánh
sáng mặt trời thường chỉ giới hạn ở bề mặt.
Các chất ổn định (chống oxy hóa, ổn định với tia UV) cho phép hạn chế sự
sinh ra các gốc tự do, hoặc phá hủy các gốc tự do và như thế sẽ gia tăng đáng kể
tuổi thọ của polyme. Việc sử dụng một số chất màu (than đen) sẽ làm polyme
mờ đục dẫn đến gia tăng đáng kể thời gian sử dụng polyme.
1.2.1.3. Ăn mòn hóa học polyme
Độ bền ăn mòn hóa học của polyme phụ thuộc vào cấu trúc phân tử của nó.
Cơ chế ăn mòn vật liệu polyme rất phức tạp và không liên quan với quá trình
trao đổi điện tử vì polyme thường không dẫn điện.
Oxy, ozôn và một số chất khác có thể tạo thành các phản ứng hóa học ở các
mối liên kết đôi của cacbon trong phân tử polyme dẫn đến cắt đứt mạch phân tử.
Ví dụ cao su tự nhiên trong môi trường ozôn có thể xảy ra phản ứng:
CH
2
C CH CH
2
CH
3
CH
2
C O
CH

phản ứng thủy phân làm đứt các liên kết trong phân tử và phá hủy bề mặt.
Si O Si
O O
OH
O
O
Si OH
O
O
Si O
O
O
+
+

Ngay cả trong môi trường nước sạch, vẫn tồn tại sự trao đổi ion giữa các
kim loại kiềm, kiềm thổ trong thủy tinh với môi trường
Si O
O
H
2
O
O
Si OH
O
O
, Na
+
Na
OH

nóng chảy và đóng băng cứ tiếp tục như vậy làm cho vật liệu bị phá hủy.
1.2.2.2. Sự phá hủy bêtông
Bêtông là một loại vật liệu xốp, không đồng thể gồm có chất kết dính (xi
măng), cát, đá và bộ khung cốt thép. Bêtông có thể bị phá hủy do tác động của
sunphat, do bộ khung cốt thép bị ăn mòn và do chu kỳ biến đổi nhiệt của môi
trường.
1.2.2.2.1. Tác động của sunphat
Nước có chứa các muối sunphat (MgSO
4
, CaSO
4
, Na
2
SO
4
) khi xâm nhập
vào bêtông thì các muối này sẽ phản ứng với một trong các cấu tử của xi măng
là tricanxi aluminat 3CaO.Al
2
O
3
.6H
2
O để tạo thành canxi-sunpho-aluminat
3CaO.Al
2
O
3
.3CaSO
4

2
)
2
) vào bêtông để hạn chế quá trình phá hủy này.
1.2.2.2.3. Chu kỳ biến đổi nhiệt của môi trường
Tác động này cũng gây cũng gây ra nứt và bong tróc làm hư hỏng bêtông.
1.3. Ăn mòn kim loại
1.3.1. Phản ứng ăn mòn
1.3.1.1. Tác nhân ăn mòn
Sự ăn mòn kim loại là do phản ứng oxy hóa khử không thuận nghịch giữa
kim loại và một tác nhân oxy hóa trong môi trường.
Kim loại + tác nhân oxy hóa → kim loại bị oxy hóa + tác nhân oxy hóa bị
khử.
Ví dụ: Fe (r) + 2HCl (dd) → FeCl
2
(dd) + H
2
(k)
Fe + 2H
+

→
Fe
2+
+ H
2

H
+
: tác nhân oxy hóa