Giáo trình sơn và kĩ thuật sơn - Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội (Nguyễn Thế Hữu)

Giáo trình sơn và kĩ thuật sơn cung cấp kiến thức về thành phần, quy trình sản xuất sơn, phương pháp phủ bề mặt và kiểm tra chất lượng màng sơn.

• Tác giả: Nguyễn Thế Hữu
• Trường học: Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ Hoá học
• Đề tài: Sơn và kĩ thuật sơn
• Loại tài liệu: Giáo trình

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình Sơn và Kĩ thuật Sơn ĐH Công nghiệp Hà Nội

Giáo trình Sơn và Kĩ thuật Sơn do Nguyễn Thế Hữu chủ biên, cùng các tác giả Nguyễn Tuấn Anh và Nguyễn Văn Lại biên soạn. Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam phát hành. Đây là tài liệu học tập chính thức dành cho sinh viên chuyên ngành Công nghệ Hóa học tại Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội. Giáo trình gồm 4 chương bao quát toàn diện lĩnh vực sơn công nghiệp. Chương 1 trình bày thành phần chính của sơn, từ chất tạo màng, chất làm khô, chất đóng rắn đến chất hóa dẻo. Chương 2 đi sâu vào quy trình công nghệ sản xuất sơn. Chương 3 mô tả các phương pháp sơn thực tế. Chương 4 đề cập đến kiểm tra chất lượng sơn theo tiêu chuẩn Việt Nam. Ngoài đối tượng sinh viên chính quy, giáo trình còn được dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên các trường đại học khác, các viện nghiên cứu, cán bộ giảng dạy và cán bộ nghiên cứu trong ngành. Nội dung được trình bày có hệ thống, kết hợp lý thuyết hóa học với ứng dụng thực tiễn trong sản xuất và thi công sơn.

1.1. Vai trò và đặc điểm của sơn trong công nghiệp

Sơn đóng vai trò bảo vệ bề mặt vật liệu khỏi tác động của môi trường như oxy hóa, ăn mòn, độ ẩm và nhiệt độ. Đồng thời, sơn mang chức năng thẩm mỹ, tạo màu sắc và độ bóng cho sản phẩm. Ưu điểm nổi bật của sơn là khả năng phủ đều trên nhiều loại vật liệu khác nhau, bao gồm kim loại, gỗ, nhựa và bê tông. Tuy nhiên, sơn cũng có nhược điểm nhất định như dễ bị bong tróc nếu bề mặt không được xử lý đúng cách hoặc chất lượng sơn không phù hợp với điều kiện môi trường sử dụng.

1.2. Phân loại sơn theo tiêu chí khác nhau

Sơn được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau. Theo dạng bên ngoài, sơn có thể ở dạng lỏng, bột hoặc dạng đặc. Theo môi trường phân tán, sơn chia thành sơn gốc dung môi hữu cơ và sơn gốc nước. Theo lĩnh vực sử dụng, có sơn xây dựng, sơn công nghiệp, sơn tàu biển và sơn ô tô. Mỗi loại sơn có thành phần và đặc tính riêng, phù hợp với mục đích và môi trường sử dụng cụ thể. Việc lựa chọn đúng loại sơn quyết định trực tiếp đến chất lượng và tuổi thọ của màng sơn sau khi thi công.

II. Thành phần và quy trình sản xuất sơn công nghiệp

Sơn là hệ hỗn hợp phức tạp gồm nhiều thành phần hóa học có chức năng khác nhau. Thành phần cơ bản bao gồm chất tạo màng, chất làm khô, chất đóng rắn, chất hóa dẻo, bột màu, dung môi và chất pha loãng. Chất tạo màng là thành phần quan trọng nhất, quyết định tính chất cơ học và hóa học của màng sơn sau khi khô. Chất làm khô thúc đẩy quá trình oxy hóa và trùng hợp của chất tạo màng gốc dầu. Chất hóa dẻo có tác dụng tăng tính dẻo, độ bám chắc và khả năng chịu nhiệt, chịu môi trường cho màng sơn. Khi cho chất hóa dẻo vào sơn, tính lưu động của dung dịch vẫn được đảm bảo. Dung môi và chất pha loãng hòa tan chất tạo màng, điều chỉnh độ nhớt của dung dịch sơn. Quy trình sản xuất sơn công nghiệp bắt đầu từ việc chế tạo chất tạo màng, tiếp đến là nghiền phân tán bột màu vào dung dịch chất tạo màng, pha chế thêm các phụ gia và kiểm tra chất lượng trước khi đóng gói.

2.1. Chất tạo màng và chất hóa dẻo trong sơn

Chất tạo màng được sản xuất từ nhiều nguồn gốc khác nhau, bao gồm dầu thực vật, nhựa thiên nhiên và nhựa tổng hợp. Nhựa epoxi và nhựa ankyd là hai loại chất tạo màng tổng hợp phổ biến nhất. Chất hóa dẻo chia thành ba nhóm: dầu thực vật như dầu thầu dầu, este tổng hợp có điểm sôi cao và các loại nhựa lỏng như este metyl tùng hương. Este tổng hợp có khả năng hòa tan nitroxenluloza, tạo thành dạng keo lưu giữa màng sơn, tăng tính đàn hồi và độ bám chắc nhưng giá thành tương đối cao.

2.2. Quy trình tổng hợp nhựa ankyd và nhựa phenolformandehit

Nhựa ankyd được tổng hợp từ phản ứng este hóa giữa axit đa chức và rượu đa chức, có biến tính bằng dầu thực vật. Nhựa phenolformandehit sau khi tổng hợp được biến tính với butanol để tạo sản phẩm tan trong dung môi hữu cơ. Kết hợp nhựa phenolformandehit butanol hóa với nhựa ankyd giúp tận dụng ưu điểm của cả hai loại nhựa, đồng thời khắc phục nhược điểm như màng giòn và độ bám dính kém. Phản ứng kết hợp xảy ra giữa nhóm methylol trong mạch phenolformandehit với nhóm hydroxyl dư trong mạch nhựa ankyd, tạo màng sơn có tính năng cơ học vượt trội.

III. Các phương pháp sơn và xử lý bề mặt theo giáo trình ĐH Công nghiệp Hà Nội

Giáo trình trình bày hệ thống đầy đủ các phương pháp thi công sơn từ đơn giản đến phức tạp. Trước khi sơn, bề mặt vật liệu phải được xử lý đúng cách để đảm bảo độ bám dính của màng sơn. Có hai nhóm phương pháp xử lý bề mặt chính: gia công cơ khí và xử lý hóa học. Phương pháp sơn phổ biến bao gồm quét sơn, nhúng sơn, phun sơn khí nén, phun sơn gia nhiệt, phun sơn cao áp không dùng không khí và phun sơn tĩnh điện. Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng và phù hợp với từng loại sản phẩm và điều kiện sản xuất cụ thể. Phương pháp phun sơn tĩnh điện cho hiệu suất sử dụng sơn cao nhất và chất lượng màng sơn đồng đều. Quy trình thao tác khi phun sơn cần tuân thủ nghiêm ngặt các thông số kỹ thuật như áp suất phun, khoảng cách phun và tốc độ di chuyển súng phun. Việc chọn và phối hợp các loại sơn hợp lý cũng là yếu tố quyết định chất lượng công trình sơn.

3.1. Phương pháp xử lý bề mặt trước khi sơn

Xử lý bề mặt trước khi sơn là bước không thể bỏ qua để đảm bảo độ bám dính tốt. Gia công cơ khí bề mặt bao gồm mài, đánh bóng, phun cát và làm sạch bằng bàn chải kim loại. Các phương pháp hóa học và điện hóa dùng để tẩy gỉ, tẩy dầu mỡ và tạo lớp chuyển hóa trên bề mặt kim loại. Quá trình thụ động hóa hay photphat hóa bề mặt kim loại tạo lớp màng phốt phát mỏng, làm nền bám dính tốt cho lớp sơn tiếp theo, đồng thời tăng khả năng chống ăn mòn cho sản phẩm kim loại.

3.2. Quy trình sơn trên bề mặt kim loại

Quy trình sơn trên bề mặt kim loại gồm nhiều lớp kế tiếp nhau. Lớp sơn lót tăng độ bám dính và chống gỉ. Lớp sơn bít lỗ rỗng san phẳng bề mặt. Lớp sơn phủ quyết định màu sắc và độ bóng cuối cùng. Mỗi lớp sơn phải được để khô hoàn toàn trước khi sơn lớp tiếp theo. Quy trình gia công sau sơn như sấy khô cưỡng bức bằng nhiệt hoặc bức xạ hồng ngoại giúp rút ngắn thời gian sản xuất và nâng cao chất lượng màng sơn so với phương pháp để khô tự nhiên ở điều kiện thường.

IV. Kiểm tra chất lượng sơn và ứng dụng thực tiễn trong đào tạo

Giáo trình dành riêng chương 4 cho nội dung kiểm tra chất lượng sơn theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN. Chất lượng sơn được đánh giá trên hai đối tượng: dung dịch sơn trước khi thi công và màng sơn sau khi đóng rắn. Các chỉ tiêu của dung dịch sơn gồm hàm lượng nước, màu sắc, độ nhớt, hàm lượng chất rắn, hàm lượng chất tạo màng và độ mịn. Màng sơn được kiểm tra các chỉ tiêu gồm độ bám dính, độ bền uốn, độ bền va đập, thời gian khô, độ cứng và độ bóng. Tất cả phương pháp kiểm tra đều tuân theo tiêu chuẩn TCVN 2091 đến 2101 ban hành năm 1993 và TCVN 5730-1993 cho sơn alkyd. Giáo trình cung cấp nền tảng kiến thức vững chắc cho sinh viên ngành Công nghệ Hóa học. Kiến thức từ giáo trình được ứng dụng trực tiếp trong các ngành công nghiệp sản xuất ô tô, đóng tàu, xây dựng và chế tạo máy. Sinh viên sau khi học có thể kiểm soát quy trình sản xuất và thi công sơn một cách chuyên nghiệp.

4.1. Phương pháp kiểm tra chất lượng dung dịch và màng sơn

Độ nhớt của dung dịch sơn được xác định bằng phễu chảy theo TCVN 2092-1993, đo thời gian chảy của sơn qua lỗ phễu tiêu chuẩn. Độ mịn xác định theo TCVN 2091-1993 phản ánh mức độ phân tán của bột màu trong dung dịch. Độ bám dính màng sơn theo TCVN 2097-1993 xác định khả năng liên kết giữa màng sơn và bề mặt vật liệu nền. Độ bền va đập theo TCVN 2100-1993 đánh giá khả năng màng sơn chịu lực tác động đột ngột mà không bị bong tróc hay nứt vỡ, phản ánh chất lượng thực tế của sơn trong điều kiện sử dụng.

4.2. Ứng dụng giáo trình trong đào tạo và nghiên cứu

Giáo trình Sơn và Kĩ thuật Sơn phục vụ đa dạng đối tượng trong lĩnh vực giáo dục và nghiên cứu. Sinh viên chuyên ngành Công nghệ Hóa học Đại học Công nghiệp Hà Nội dùng làm tài liệu học tập chính. Sinh viên các trường đại học và viện nghiên cứu khác sử dụng làm tài liệu tham khảo bổ sung. Cán bộ giảng dạy dùng làm giáo án và tài liệu hướng dẫn thực hành. Cán bộ nghiên cứu và kỹ sư thực hành trong ngành công nghiệp sơn có thể tra cứu quy trình sản xuất, tiêu chuẩn kiểm tra chất lượng và lựa chọn phương pháp thi công phù hợp với từng dự án cụ thể.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 T H À N H PH À N C H ÍN H C Ủ A SƠN Mục tiêu của chương Sau khi học xong chương này, sinh viên nắm được: 一 Vai trò, đặc điểm cùa sơn. 一 Các thành phần chính của sơn như: chất tạo màng, chất làm khô và chất đóng rắn, dung môi, chất hóa dẻo, bột màu. 一 Phân loại sơn. GIỚI THIỆU CHUNG Sơn (chất phủ bề mặt) được dùng đề trang trí m ĩ thuật hoặc bảo vệ các bề mặt vật liệu cần sơn.

Sơn đã được loài người cồ xưa chế biến từ các vật liệu thiên nhiên sẵn có đề tạo các bức tranh trên nền đá ở nhiều hang động nhằm ghi lại hình ảnh sinh hoạt, cuộc sống thường ngày mà ngành khảo cổ học thế giới đã xác định được niên đại cách đây khoảng 25. Người A i Cập đã biết chế tạo sơn m ĩ thuật từ năm 3000 - 600 trước Công nguyên. Hy Lạp và La Mã đã chế tạo sơn dầu béo vừa có tác dụng trang trí vừa có tính chất bảo vệ các bề mặt cần sơn. Trong thời kỳ năm 600 trước Công nguyên đến năm 400 sau Công nguyên và mãi đến thế k i X III các nước khác của Châu Âu mới biết đến công nghệ sơn này và đến cuối thế kỉ X V III mới bắt đầu có các nhà sản xuất sơn chuyên nghiệp do yêu cầu về sơn tăng mạnh.

Cuộc cách mạng k ĩ thuật của thế giới đã tác động thúc đẩy phát triền ngành công nghiệp sơn từ thế kỉ X V III，nhưng chắt lượng sơn bào vệ và trang trí vẫn chưa được cao vì nguyên liệu chế tạo sơn đi từ các loại dầu, nhựa thiên nhiên và các loại bột màu vô cơ có chất lượng thấp. Ngành công nghiệp sơn chỉ có thể phát triển nhảy vọt khi xuất hiện trên thị trường các loại nhựa tồng hợp tạo màng sơn, cùng với các loại bột màu hữu cơ chất lượng cao và nhất là sự xuất hiện của sản phẩm bột màu trắng titan đioxit (TÌO 2 ) là loại bột màu chủ đạo, phản ánh sự phát triên của công nghiệp sơn màu. Các mốc phát triển công nghiệp sơn (được khởi đầu từ thế kỉ X X đến cuối thế kỉ X X) có thề được phản ánh như sau: - Năm 1923: nhựa nitroxenluloza，ankyd. —Năm 1928: nhựa phenolformandehit tan trong dầu béo.

- Năm 1933: nhựa vinyl clorua đồng trùng hợp. - Năm 1934: nhựa nhũ tương trong gốc dầu. - Năm 1936: nhựa acrylic nhiệt rắn. - Năm 1950: nhựa PVA và acrylic nhũ hóa.

- Năm 1955: sơn bột tĩnh điện. - Năm 1958: sơn xe hơi gốc acrylic nhũ hóa; sơn nhà gốc nhựa latex. - Năm 1960: sơn công nghiệp gốc nước. - Năm 1962: sơn điện di kiều anot.

- Năm 1963: sơn đóng rắn bằng tia EB và ƯV. - Năm 1971: sơn điện di kiều catot. Trong tương lai, thách thức của ngành công nghiệp sơn toàn cầu cằn phải giái quyêt bài toán quen thuộc là tìm được giải pháp cânbằng giữa một bên là sức ép ve chi phí của năng lượng, nguyên liệu và đáp ứngquy định luậtan toàn môi trường của chính phủ với một bên là yêu cầu của thị trường là chất lượng sơn phải hoàn hảo với giá cả tôt nhât. Các thách thức này sẽ tạo ra nhiều cơ hội cho ngành 8 sơn, công nghiệp thế giới nghiên cứu và triền khai các giải pháp công nghệ mới, nguyên liệu mới và sản phẩm mới, đó chắc chắn cũng là tác động tích cực đổi với sự phát triền hơn nữa cùa ngành công nghiệp sơn hiện nay.

Ở Việt Nam, từ gần 400 năm trước con người đã biết dùng sơn ta từ cây sơn mọc tự nhiên chế biến thành sơn trang trí và bảo vệ cho các đồ làm bằng gỗ như các pho tượng thờ, các tấm hoành phi câu đối “ sơn son thiếp vàng”. Lớp sơn bảo vệ các đồ vật có chất lượng hầu như không thay đồi sau hàng trăm năm sử dụng. Sơn ta đến nay vẫn được coi là nguyên liệu chất lượng cao dùng cho ngành tranh sơn mài được ưa chuộng cả trong và ngoài nước. Một số loại dầu béo như dầu trấu và dầu lai hoặc nhựa thông, lấy từ cây thông ba lá mọc tự nhiên tại Việt Nam, từ lâu đã được người dân chế biến thành dầu bóng (clear 一 vamish) dùng trang trí và bảo vệ cho “ nón lá” hoặc “ đồ gỗ” nội ngoại thất.

Tuy nhiên, việc sử dụng sơn nói trên chỉ mang tính chất tự phát từ nhu cầu đời sống thường ngày, đến năm 1913 一 1914 ở Việt Nam mới xuất hiện một xưởng sơn dầu ở Hải Phòng do người Pháp xây dựng mang nhãn hiệu TESTƯDO, tiếp sau đó vài năm hãng sơn Việt Nam đầu tiên “ Công ty sơn Nguyễn Sơn Hà” được thành lập và tiếp theo có hãng sơn ở Hà Nội là Thăng Long, Gecko. Trong đó cần chú ý là loại sơn RESISTANCO của hãng sơn Nguyễn Sơn Hà rất được người tiêu dùng trong và ngoài nước ưa chuộng, đây có thể nói là hãng sơn đầu tiên lớn nhất tại Việt Nam lúc ấy. VAI TRÒ, ĐẶC ĐIẺM CỦA SƠN 1. Vai trò của sơn * Bảo vệ bề mặt: Điều quan trọng nhất của sơn là bảo vệ bề mặt sản phẩm (đặc biệt là kim loại).

Màng sơn mỏng hình thành trên bề mặt chi tiết cách li với môi trường như nước, không khí, ánh sáng mặt trời và môi trường ăn mòn (như axit，kiềm, muối, S 02” .) bảo vệ sản phẩm không bị ăn mòn. Nếu bề mặt có lớp màng cứng có thể làm giảm sự va đập, ma sát do đó sơn còn có tác dụng bảo vệ cơ khí. * Tác dụng trang tri: Do đời sống con người ngày càng được nâng cao, đòi hỏi vật dụng vừa có hình dáng đẹp, màu sắc cũng phải đẹp và đa dạng. Khi bề mặt sản phẩm được phủ một lớp sơn, đặc biệt là sơn m ĩ thuật thì màng sơn rất 9 bóng đẹp, có thể tạo ra nhiều màu tuỳ ý’ làm thay đổi cảnh quan, đẹp, dễ chịu và thoải mái.

* Công dụng khác: Ngoài tác dụng bảo vệ và trang tri, sơn còn có công dụng đặc biệt. Sơn các màu lên các thiết bị quân sự có thể nguỵ trang như xe tăng, xeo to sơn màu xanh lục, tàu thuyền sơn màu xanh nước biển. Khi som loại sơn chống tia hồng ngoại có thề chống được địch phát hiện các mục tiêu quân sự. Ngoài ra còn có sơn cách điện, sơn dẫn điện dùng trong k ĩ thuật điện, sơn chống hà dùng trong công nghiệp đóng tàu.

Sơn còn dùng để phân biệt và đánh dấu các bộ phận điều khiển máy móc thiết bị. Ưu, nhược điểm của sơn a. ưu điểm của sơn Màng sơn là lớp bảo vệ, trang trí, vì thế sơn có những ưu điểm sau: * Màng scm khô từ từ, sử dụng thuận lợi: Sơn là loại chất có dung môi bay hơi nhanh, màng sơn khô từ từ, thông thường sau 10 phút có thể khô bề mặt, sau 1 giờ khô hoàn toàn, có thể phun lớp thứ hai, 4 giờ sau có thề mài và đánh bóng. Tốc độ khô của sơn tồng hợp gấp 5 - 1 0 lần sơn dầu, vì thế có thề tiết kiệm thời gian và diện tích mặt bằng gia công, thích hợp cho quá trình sản xuất hiện đại.

* Màng sơn cứng chịu ma sát: Màng sơn tồng hợp cứng, bóng, chịu ma sát, sau khi sấy không dính bụi, không dính và nhẵn. mà sơn dầu không có đặc tính trên. Vi vậy, màng sơn tồng hợp có thể mài, đánh bóng và trang trí bề mặt. * Màu sắc đồng đều, bóng: So với sơn dầu, sơn tồng hợp có màu sắc đẹp, khi pha các chất khác nhau, được các màu khác nhau, bề mặt sản phẩm có nhiều loại: không bóng, bóng, có văn hoa.

* Chịu ăn mòn hoả học: Sau khi sơn xong, sản phẩm có thể chịu nước, chịu axit，chịu kiem, chịu dầu, xăng, rượu. bảo vệ được sản phẩm không bị ăn mòn. * Sàn xuảt sơn dê dàng: Khi chế tạo sơn đều dùng các loại hoá chất, vì vậy sán xuât sơn de dàng và dễ không chế các điều kiện k ĩ thuật. Thiết bị máy móc không đắt, quy trình công nghệ dễ điều khiển.

Nhược điểm của sơn * Màng sơn dễ biến trắng: Khuyết điểm lớn nhất của màng sơn khi gia công trong khí hậu ẳm ướt là dề biến trắng. Nguyên nhân là khi dung môi bay hơi, lượng nước trong không khí sẽ đi vào màng sơn, tạo thành màng sơn trắng trên bề mặt sản phẩm. Khuyết điềm này có thể khắc phục bằng cách dùng dung môi có độ sôi cao, gia công sơn ở nơi khô ráo. * Màng sơn tương đối mỏng: Màng sơn sau khi khô rất mỏng, vì vậy khi gia công phải phun hai, ba lần hoặc hơn sau đó đánh bóng.

Nguyên nhân chủ yếu là màng sơn có lượng không bay hơi rất nhỏ, thường chiếm dưới 30% thành phần sơn, đặc biệt khi phun cần phải pha thêm dung môi vào sơn mới có thề phun được, các loại sơn dầu có lượng dung môi bay hơi chiếm tới 70 - 80%. * Sơn cỏ mùi khỏ chịu: Dung môi trong sơn có tính kích thích mạnh, nếu gia công sơn trong môi trường không lưu thông không khí rất dễ đau đầu, hôn mê. V ì vậy, trong quá trình gia công, thao tác và sử dụng phải chú ý an toàn lao động. THÀNH PHÀN CỦA SƠN 1.

Chất tạo màng Chất tạo màng là hợp chất polime hay các dạng tiền thân (monome, oligom e.) sẽ chuyển thành màng sơn trong quá trình khô sơn. Khi đó, nó dính kết những hợp phần khác tạo nên lớp che phủ bám chắc lên bề mặt.Cơ chế quả trình tạo màng Khi sơn khô, chất tạo màng từ trạng thái lỏng chuyển sang trạng thái rắn tạo thành màng sơn theo các quy luật: 一 Sự bay hơi dung môi. - Sự oxi hoá. - Sự polime hoá.

11 * Sự bay hơi dung môi: Khi sơn được quét lên bề mặt vật cần sơn, do quá trinh bay hơi dung môi, màng được tạo thành, quá trình đó gọi là quá trình tạo màng không chuyển hoá và sơn đó là sơn khô nhanh. Màng sơn được tạo thành là do quá trình bay hơi dung môi gây lên. Điển hình cho loại sơn này là sơn nitroxenluloza, sơn perclovinyl, sơn cao su clo hoá， ". * Sự oxi hoả: Sự tạo thành màng xảy ra nhờ quá trình biến đổi hoá lí diễn ra ngay trong màng sơn.

Trong quá trình khô, chất tạo màng hấp thụ một lượng oxi trong không khí. Sự hấp thụ oxi càng nhiều, thì khả năng khô càng nhanh. Thời gian khô còn được rút ngắn nếu trộn thêm chất làm khô, quá trình tạo màng do sự oxi hoá đặc trưng cho sơn dầu và sơn ankyd.