Các phương pháp mạ kẽm

Phương pháp mạ kẽm lạnh: Tối ưu cho các công trình điện

 Gần một nửa sản lượng kẽm trên thế giới được dùng vào việc bảo vệ sắt thép trước một “kẻ thù” hung ác nhất - sự han rỉ và ăn mòn đã nuốt mất hàng chục triệu tấn sắt thép mỗi năm. 

Các quốc gia buộc phải tốn chi phí rất lớn cho công tác chống ăn mòn kim loại của các công trình. ở các nước công nghiệp phát triển, chi phí này chiếm bình quân khoảng 4% GDP hàng năm của quốc gia

Dưới tác động của môi trường, kim loại bị xâm thực, ăn mòn trong không khí, trong đất hay trong vùng ngập nước làm cho tuổi thọ công trình bị xuống cấp nhanh chóng. Lớp rỉ không đồng đều, nguy hiểm nhất là các dạng rỉ điểm, rỉ lỗ làm giảm khả năng chịu tải của kết cấu. Cũng có quan niệm cho rằng: Các kết cấu bê tông cốt thép không bị ăn mòn. Nhưng trong thực tế, các kết cấu bê tông cốt thép thường bị hỏng nặng do cốt thép bị ăn mòn, gây trương nở, tăng thể tích bên trong, mất liên kết giữa cốt thép và bê tông, làm giảm khả năng chịu tải và tuổi thọ công trình.

Ở nước ta, chi phí cho bảo vệ chống ăn mòn còn rất thấp. Do hầu hết là dùng sơn chống rỉ thông thường nên không ít các công trình sau vài năm sử dụng đã phải nâng cấp, bảo dưỡng.

Các biện pháp chống rỉ sét và ăn mòn truyền thống

Các biện pháp chống rỉ và ăn mòn phổ biến hiện nay là sử dụng các vật liệu ít bị ăn mòn. Các vật liệu này thường có giá thành cao, chỉ lắp đặt ở những nơi không bị ngập nước và biện pháp phổ biến nhất là dùng sơn phủ bảo vệ. Lớp sơn phủ bảo vệ nhằm tạo một lớp màn chắn (barrier) cách ly kim loại với môi trường. Nhưng khi lớp bảo vệ này bị hỏng thì hơi ẩm thâm nhập và ăn mòn tấn công vào bên dưới lớp sơn. Vì thế, lớp sơn này chỉ phát huy tác dụng trong vài năm.

Đối với các công trình bị ngập nước hay chôn trong đất thì kết hợp thêm biện pháp chống ăn mòn catốt (cathodic protection). Biện pháp này đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới cho các giàn khoan biển, cầu cảng, hệ thống bồn bể đường ống...

Chống ăn mòn catốt là sử dụng bản chất của quá trình ăn mòn điện hóa để xây dựng thành một hệ gồm: Catốt (kim loại cần bảo vệ) và anốt. Anốt được chọn như Mg, Al, Zn làm vật liệu hy sinh thay thế cho sắt thép cần bảo vệ vì các kim loại này đều đứng trước Fe trong bảng tuần hoàn hóa học. Trong hệ luôn tồn tại dòng điện một chiều đi qua giữa anốt và catốt, xuất phát từ sự chênh lệch điện thế giữa hai kim loại khác nhau trong môi trường tồn tại dung dịch điện phân là nước hoặc do bị áp đặt từ nguồn điện một chiều bên ngoài.

Phương pháp mạ kẽm lạnh

Hơn một thế kỷ qua, kẽm đã được chứng minh là lớp bảo vệ chống rỉ sét và ăn mòn rất hiệu quả cho kim loại. Ngày nay, kẽm được sử dụng ở mọi nơi trên thế giới dùng để bảo vệ kim loại như mạ điện phân, mạ nhúng nóng hay phun kẽm

Mạ kẽm lạnh là phủ lên bề mặt kim loại một lớp kẽm lỏng tương tự như sơn ở nhiệt độ môi trường bình thường, bằng cách dùng áp lực khí nén thổi dung dịch kẽm lỏng thành chùm các hạt kẽm bắn vào bề mặt kim loại đã vệ sinh sạch bề mặt. Trong dung dịch kẽm có chất gắn liên kết cùng các phụ gia giúp cho kẽm bám chặt vào bề mặt kim loại và khô cứng trong vài giờ, tương tự như các loại sơn truyền thống.

Lớp phủ kẽm sau khi khô có hai chức năng bảo vệ: Thứ nhất là chức năng bảo vệ thụ động (passive protection) với lớp màng chắn bảo vệ kim loại như các loại sơn truyền thống; chức năng thứ hai là bảo vệ chủ động (active protection) tức chức năng chống ăn mòn catốt (Cathodic protection), chức năng này có ở lớp phủ bảo vệ bằng mạ kẽm nhúng nóng (hot-dip galvanizing).

Dung dịch giàu kẽm trên 92% Zn là một hỗn hợp dẫn điện rất tốt sau khi khô, do đó cho phép dòng điện chạy liên tục về mọi hướng trên lớp mạ. Đây là điều kiện tiên quyết để lớp phủ có chức năng chống ăn mòn catốt. Khi trong lớp mạ có sự xuất hiện của ẩm ướt hình thành dung dịch điện phân thì sẽ xảy ra phản ứng hóa học, kẽm có điện thế chuyển dịch electron cao hơn sắt thép nên tham gia ngay vào quá trình phản ứng, phân tán và giải phóng các electron tạo ra dòng điện chạy qua sắt thép làm cản trở sự phân tán của các ion thép và bắt đầu chu kỳ điện hóa. Kẽm trở thành một đối tượng hy sinh để bảo vệ cho sắt thép là catốt.

Quá trình phản ứng tạo ra hydro các-bô-nát kẽm và các muối kẽm khác hình thành một lớp màng mỏng che kín bề mặt lớp mạ kẽm. Lớp màng mới này không thấm nước, ngăn cản nước và thời tiết tấn công làm dừng quá trình ăn mòn điện hóa. Lúc này, lớp màng đóng vai trò như lớp bảo vệ thụ động.

Khi lớp màng bảo vệ này bị hư hỏng thì các phân tử kẽm lại sẵn sàng tham gia vào quá trình chống ăn mòn điện hóa mới. Cứ như thế, kẽm sẽ “hy sinh”, ngay cả khi lớp mạ kẽm bị trầy xước thì ăn mòn cũng không thể thực hiện được “ý đồ” tạo rỉ của mình và tấn công vào bên dưới lớp mạ. Quá trình này giúp bảo vệ cho kim loại không bị ăn mòn và tự hàn gắn “vết thương” tại các điểm trầy xước.

Các loại sơn truyền thống hay sơn kẽm khác với hàm lượng kẽm (không phải độ tinh khiết của kẽm) dưới 92% không thể có được những ưu điểm trên. Do vậy, khi bị một lỗ thủng rất nhỏ, dù chỉ bằng dấu chấm cũng đủ để các tác nhân xâm thực có thể “đột nhập” vào sắt, làm cho sắt bị rỉ nhanh chóng.

Hiện nay trên thị trường đã có sơn mạ kẽm lạnh của hãng ZRC Worldwide Inc. của Mỹ (www.zrcworldwide.com). Đây là nhà sản xuất hàng đầu thế giới có bề dày kinh nghiệm trên 50 năm sản xuất sơn mạ kẽm lạnh với hàm lượng kẽm 95% trong lớp mạ sau khi khô. Ghi nhận thực tiễn của nhà sản xuất cho thấy: Những công trình sử dụng sơn mạ kẽm lạnh ZRC đều có tuổi thọ dài hạn trên 20 năm. ZRC vượt qua tất cả các cuộc thử nghiệm của mạ kẽm nhúng nóng bởi các tiêu chuẩn như ASTM, UL, SSPC và được xem tương đương mạ kẽm nhúng nóng. Hình trên minh họa về thử nghiệm với 5% sương muối (salt spray) trong 2873 giờ giữa mạ kẽm nhúng nóng (trái) và mạ kẽm lạnh ZRC (phải) cho thấy ZRC thể hiện tính năng vượt trội sau thử nghiệm.

Mạ kẽm đã chứng minh tính năng bảo vệ ưu việt cho các công trình nên hầu như tất cả công trình của ngành Điện hiện nay đều sử dụng sắt thép được mạ kẽm nhúng nóng. Lớp mạ này theo thời gian cũng bị mòn dần, mức độ nhanh hay chậm tùy vào chất lượng mạ và môi trường ăn mòn. Khi đó, việc bảo trì bằng sơn phủ mạ kẽm lạnh thật sự là một giải pháp tối ưu nhất về mặt kỹ thuật và kinh tế vì lớp mạ kẽm mới sẽ liên kết phân tử với lớp mạ kẽm hiện hữu, duy trì chức năng chống ăn mòn catốt. Ngoài ra, phương pháp này cho phép thi công dễ dàng tại công trường với cách phun, quét hay lăn như các loại sơn truyền thống khác.