Luận văn thạc sĩ công nghệ vật liệu thành lập công thức sơn latex từ nhựa styrene acrylic có cấu trúc core shell

Luận văn thạc sĩ công nghệ vật liệu nghiên cứu thành lập công thức sơn latex từ nhựa styrene acrylic cấu trúc core shell, ứng dụng hiệu quả.

• Tác giả: Trần Thanh Thông
• Người hướng dẫn: TS. La Thị Thái Hà
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Vật liệu Cao phân tử và Tổ hợp
• Đề tài: Thành lập công thức sơn latex từ nhựa styrene acrylic có cấu trúc core – shell
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về luận văn thạc sĩ và công thức sơn latex

Luận văn thạc sĩ với chủ đề 'Công thức sơn latex từ nhựa styrene acrylic core shell' tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển công thức sơn latex nội thất sử dụng nhựa styrene acrylic có cấu trúc core-shell. Nhựa styrene acrylic được tổng hợp từ butyl acrylate và styrene, trong đó butyl acrylate là thành phần chính của core và styrene là thành phần chính của shell. Mục tiêu của nghiên cứu là tạo ra một công thức sơn latex có tính chất vượt trội, đáp ứng nhu cầu thị trường về sơn thân thiện môi trường.

1.1. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu nhằm khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng core/shell đến hiệu quả tổng hợp và tính chất của nhựa latex. Đồng thời, nghiên cứu cũng tập trung vào việc xác định hàm lượng các chất phụ gia như chất tạo đặc, chất trợ phân tán, chất trợ tạo màng và chất làm chậm khô để tối ưu hóa tính chất của sơn latex. Kết quả nghiên cứu sẽ được ứng dụng trong sản xuất sơn latex nội thất với các tính năng như độ bền cao, khả năng chịu chùi rửa và kháng nước.

II. Tổng quan về sơn latex và nhựa styrene acrylic

Sơn latex là một loại sơn nước sử dụng nhựa latex làm nhựa nền, phân tán trong nước. Nhựa latex có cấu trúc core-shell, với core là butyl acrylate và shell là styrene, mang lại tính chất cơ lý vượt trội như độ bền cao, khả năng chịu chùi rửa và kháng hóa chất. Nhựa styrene acrylic được tổng hợp bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương hai giai đoạn, tạo ra cấu trúc core-shell rõ rệt.

2.1. Cấu trúc và tính chất của nhựa styrene acrylic

Nhựa styrene acrylic có cấu trúc core-shell với core là butyl acrylate và shell là styrene. Cấu trúc này giúp cải thiện tính chất cơ lý của sơn latex, bao gồm độ cứng, độ bền va đập và khả năng kháng nước. Kích thước hạt đồng đều và cấu trúc rõ rệt của nhựa latex là yếu tố quan trọng quyết định chất lượng của sơn.

2.2. Ứng dụng của sơn latex trong công nghiệp

Sơn latex được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng và trang trí nội thất nhờ các ưu điểm như hàm lượng chất hữu cơ bay hơi thấp, thân thiện môi trường và dễ dàng vệ sinh. Công thức sơn latex từ nhựa styrene acrylic core-shell được kỳ vọng sẽ mang lại hiệu quả cao trong các ứng dụng thực tế.

III. Phương pháp nghiên cứu và quy trình sản xuất

Nghiên cứu sử dụng phương pháp trùng hợp nhũ tương hai giai đoạn để tổng hợp nhựa latex styrene acrylic có cấu trúc core-shell. Quy trình sản xuất bao gồm các bước: tổng hợp nhựa latex, phối trộn millbase và sơn latex, đánh giá tính chất của sản phẩm cuối cùng. Các phương pháp phân tích như kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phân tích kích thước hạt bằng laser và phân tích nhiệt lượng kế quét vi sai (DSC) được sử dụng để đánh giá cấu trúc và tính chất của nhựa latex.

3.1. Tổng hợp nhựa latex core shell

Nhựa latex được tổng hợp từ butyl acrylate và styrene bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương hai giai đoạn. Kết quả cho thấy mẫu nhựa CS 7525 với tỷ lệ core/shell 75/25 có cấu trúc core-shell rõ rệt, kích thước hạt đồng đều và tính chất cơ lý tốt.

3.2. Phối trộn sơn latex

Millbase được phối trộn từ các thành phần như chất tạo đặc, chất trợ phân tán, chất trợ tạo màng và chất làm chậm khô. Công thức millbase tối ưu được xác định để đảm bảo tính chất của sơn latex nội thất.

IV. Kết quả và đánh giá

Kết quả nghiên cứu cho thấy mẫu nhựa latex CS 7525 với tỷ lệ core/shell 75/25 có cấu trúc core-shell rõ rệt, kích thước hạt đồng đều và tính chất cơ lý tốt. Công thức sơn latex ML 91 với tỷ lệ millbase/nhựa latex 9/1 đạt được các tính chất vượt trội, đặc biệt là khả năng chịu chùi rửa cao, tương đương với sơn latex nội thất Dulux Easy Clean.

4.1. Tính chất của nhựa latex CS 7525

Nhựa latex CS 7525 có cấu trúc core-shell rõ rệt, kích thước hạt đồng đều (0.0784 µm), độ cứng bút chì cao (3B) và khả năng kháng nước, kháng kiềm hiệu quả. Đây là mẫu nhựa phù hợp để ứng dụng trong sản xuất sơn latex nội thất.

4.2. Tính chất của sơn latex ML 91

Sơn latex ML 91 có tính chất cơ lý tốt, đặc biệt là khả năng chịu chùi rửa cao, tương đương với sơn latex nội thất Dulux Easy Clean. Công thức này đủ khả năng để đưa vào sản xuất thương mại.

V. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Luận văn thạc sĩ đã thành công trong việc xây dựng công thức sơn latex từ nhựa styrene acrylic core-shell. Công thức sơn latex ML 91 có tính chất vượt trội, đáp ứng nhu cầu thị trường về sơn thân thiện môi trường và hiệu suất cao. Nghiên cứu này mở ra hướng phát triển mới cho ngành công nghiệp sơn, đặc biệt là trong lĩnh vực sơn nội thất.

5.1. Giá trị thực tiễn của nghiên cứu

Công thức sơn latex ML 91 có tiềm năng ứng dụng cao trong sản xuất thương mại, đặc biệt là trong lĩnh vực sơn nội thất. Nghiên cứu này góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp sơn thân thiện môi trường.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa công thức sơn latex để cải thiện các tính chất như độ bền màu, khả năng kháng UV và ứng dụng trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SƠN LATEX 1.1 SƠN NƯỚC Sơn là hệ chất che phủ được sử dụng để bảo vệ và trang trí bề mặt vật liệu, phối trộn từ bốn thành phần cơ bản : nhựa nền, môi trường phân tán, bột màu, phụ gia. Tùy thuộc vào môi trường phân tán có thể phân loại sơn thành hai loại chính : sơn dung môi và sơn nước. Sơn nước là hệ sơn sử dụng nước làm môi trường phân tán cơ bản. Việc nghiên cứu sơn nước đã được bắt đầu từ những năm 50 của thế kỷ XX, đến nay, sơn nước được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau : xây dựng, kiến trúc, trang trí nội thất.

Ưu điểm của sơn nước - Có hàm lượng các chất hữu cơ bay hơi VOC rất thấp (< 238 g/l) - Sử dụng môi trường phân tán là nước nên tiết kiệm được chi phí dung môi. - Màng sơn hình thành bằng cách bay hơi nước nên ít mùi khó chịu, dễ dàng vệ sinh, lau chùi, hạn chế nguy cơ cháy nổ, tạo môi trường làm việc an toàn. - Sơn nước có thể ứng dụng cho hầu hết các loại vật liệu khác nhau : kim loại, nhựa, gỗ, thủy tinh, bê tông. và bằng hầu hết các phương pháp : quét, lăn, phun, nhúng.

Nhược điểm của sơn nước - Màng sơn chỉ có hiệu quả tốt nhất khi đạt được độ dày màng khô nhất định (> 0.29 mm) 4 - Ở môi trường có độ ẩm cao, sơn nước cần nhiều thời gian hơn để khô, do đó cần phải trang bị thêm hệ thống khuấy đảo không khí, thoát hơi, khử ẩm. dẫn đến tăng thêm chi phí so với việc sử dụng các hệ sơn khác. Phân loại sơn nước Sơn nước được phân loại dựa vào ba loại nhựa nền sử dụng :  Hệ nhựa nhũ tương : các polymer nhũ tương hoặc phân tán trong nước.  Hệ nhựa tan trong nước : các polymer phân tán hệ keo hoặc tan trong nước.

 Hệ nhựa khử bằng nước. Ba loại nhựa này khác nhau cơ bản về tính chất hóa lý, mở rộng phạm vị lựa chọn, xây dựng và phát triển các công thức sơn nước phù hợp với từng mục đích sử dụng khác nhau.1 : Ba loại nhựa nền sử dụng cho sơn nước Trong ba loại sơn nước trên, sơn nước hệ nhũ tương có các đặc tính nổi bật : bám dính tốt, màng sơn cứng, chịu hóa chất, chịu nước, hàm lượng rắn cao. Đạt được những tính chất trên là do sơn nước hệ nhũ tương có chứa các hạt polymer nhũ tương khối lượng phân tử rất lớn nằm phân tán trong nước.1 Định nghĩa Sơn latex là sơn nước hệ nhũ tương được phối trộn từ các thành phần : - Nhựa nền : nhựa latex. - Môi trường phân tán : nước.

Trong sơn latex, tính chất của nhựa latex : cấu trúc, kích thước hạt, khối lượng phân tử trung bình, độ nhớt. sẽ quyết định tính chất của màng sơn đạt được : độ bám dính, độ cứng, độ mềm dẻo. Sơn latex được ứng dụng chủ yếu trong xây dựng, kiến trúc. Khi ứng dụng sơn latex, nước sẽ bay hơi tạo ra áp lực kéo các hạt nhựa latex xích lại gần nhau, liên kết với nhau hình thành màng sơn rắn chắc.2 Thành phần sơn latex [15] a.

Nhựa latex Nhựa latex là một hệ nhựa nhũ tương với các hạt polymer kích thước nhỏ phân tán trong môi trường phân tán là nước. Nhựa latex đóng vai trò là nhựa nền, kết dính các thành phần khác nhau trong sơn latex. Khi nước bay hơi, các hạt nhựa latex sẽ liên kết với nhau hình thành màng sơn. Nước Nước đóng vai trò là môi trường phân tán đồng thời là chất pha loãng cho sơn latex.

Hàm lượng nước quyết định độ nhớt của sơn, ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình khô và hình thành màng sơn. 6 Hàm lượng nước sử dụng quá ít, độ nhớt của sơn quá cao : quá trình hình thành màng sơn sẽ khó khăn, màng dày, không đều, khô nhanh, dễ rạn nứt bề mặt. Ngược lại, hàm lượng nước sử dụng quá nhiều, độ nhớt của sơn quá thấp : màng sơn sẽ lâu khô, tạo màng không đồng đều. Bột màu Bột màu là thành phần tạo màu cho sơn, chúng là những hạt rắn có kích thước rất nhỏ phân tán đồng đều trong sơn.

Bột màu ngoài tác dụng tạo màu còn có tác dụng tăng cường độ che phủ bề mặt, chống xuyên thấu tia tử ngoại, nâng cao độ cứng, độ mài mòn, kéo dài tuổi thọ màng sơn. Một số loại bột màu thường sử dụng : titanium dioxide, kẽm oxit, sắt oxit, bột nhôm, bột than, bột đá, bột talc, cao lanh, mica và các chất hữu cơ có màu. Phụ gia Các loại phụ gia được sử dụng trong sơn nhằm giúp quá trình sản xuất và gia công màng sơn dễ dàng hơn. Việc sử dụng phụ gia phù hợp, hàm lượng chuẩn xác có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất màng sơn.

Thường sử dụng kết hợp nhiều loại phụ gia khác nhau cho một hệ sơn : chất trợ phân tán, chất phá bọt, chất trợ tạo màng, chất làm chậm khô, chất tạo đặc, chất bảo quản, chất chống nấm mốc, vi sinh.3 Yếu tố ảnh hưởng đến tính chất sơn latex [10, 13] a. Kích thước hạt nhựa latex Kích thước hạt nhựa latex giữ vai trò quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất của sơn. Kích thước hạt sẽ tác động rõ rệt đến độ nhớt, khả năng mang bột màu, độ bám dính. Monomer tổng hợp nhựa latex Monomer được chia làm hai loại : monomer cứng và monomer mềm.

 Monomer cứng : styrene, methyl methacrylate… là những monomer khi tổng hợp tạo thành những polymer cứng, có nhiệt độ hóa thủy tinh Tg rất cao. Trong tổng hợp nhựa latex, monomer cứng được sử dụng nhằm tăng cường độ cứng bề mặt hạt nhựa.  Monomer mềm : butyl acrylate, ethyl acrylate. là những monomer khi tổng hợp tạo thành những polymer mềm, có nhiệt độ hóa thủy tinh Tg rất thấp.

Trong tổng hợp nhựa latex, monomer mềm được sử dụng nhằm tăng cường độ dẻo dai, độ bền va đập và độ bám dính cho hạt nhựa. Bằng cách kết hợp linh hoạt các loại monomer cứng và monomer mềm chúng ta sẽ tổng hợp được các loại polymer có tính chất như mong muốn. Chất hoạt động bề mặt Chất hoạt động bề mặt giữ vai trò cực kỳ quan trọng trong hệ nhũ tương, chúng giúp phân tán các hạt polymer đồng đều trong nước, tạo sự đồng nhất và ổn định cho hệ nhũ tương. Hàm lượng chất hoạt động bề mặt quá thấp thì hệ nhũ tương sẽ không đồng đều, xuất hiện hiện tượng sa lắng, kết tụ.

Hàm lượng chất hoạt động bề mặt quá cao thì sẽ tập trung lại thành các micelle, ban đầu là các hạt hình cầu, sau đó là hình que, hình phiến… làm tăng độ nhớt, gây mất ổn định cho hệ nhũ tương. Độ nhớt Độ nhớt của sơn ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình gia công và hình thành màng sơn. Độ nhớt của sơn quá cao, quá trình gia công, hình thành màng sơn sẽ khó khăn, màng dày, khô nhanh, dễ rạn nứt bề mặt. Ngược lại, độ nhớt của sơn quá thấp màng sơn sẽ lâu khô, tạo màng không đồng đều.3 NHỰA LATEX CÓ CẤU TRÚC CORE – SHELL 1.

Nhũ tương Nhũ tương là hỗn hợp các chất lỏng không hòa tan được với nhau, bao gồm : - Chất phân tán : các giọt lỏng hoặc các hạt riêng biệt. - Môi trường phân tán : bao phủ chất phân tán. Tùy theo môi trường phân tán, nhũ tương được chia làm hai loại : nhũ tương dầu trong nước và nhũ tương nước trong dầu. Nhựa latex Nhựa latex : hệ polymer nhũ tương với chất phân tán là các hạt polymer có kích thước nhỏ phân tán trong môi trường phân tán là nước.

Các polymer nhũ tương thường được tổng hợp bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương. Trùng hợp nhũ tương Trùng hợp nhũ tương là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp để sản xuất các loại polymer. Trùng hợp nhũ tương thường xảy ra với tốc độ cao, nhiệt độ tương đối thấp, thu được polymer có trọng lượng phân tử cao, độ đa phân tán thấp. Cơ chế trùng hợp nhũ tương [6, 9] Lý thuyết trùng hợp nhũ tương theo cơ chế gốc tự do được nghiên cứu và phát triển bởi Smith, Ewart và Hankins từ năm 1940 dựa trên cơ sở polystyrene.

Cơ chế này được chia làm ba giai đoạn như sau :  Giai đoạn 1 : tạo trung tâm hoạt động - Các micelle được hình thành khi hàm lượng chất hoạt động bề mặt lớn hơn CMC. 9 - Các monomer phân tán vào trong các micelle. - Chất khơi mào được cho vào hệ, gốc tự do hình thành đi vào micelle và khơi mào phản ứng. - Phản ứng trùng hợp nhũ tương diễn ra ngay lập tức, tạo thành các tiểu phân tử polymer khối lượng phân tử thấp bên trong micelle.

- Giai đoạn này kết thúc khi độ chuyển hóa đạt từ 0 – 15 %.  Giai đoạn 2 : phát triển mạch - Các tiểu phân tử polymer có khối lượng phân tử tăng lên nhanh chóng, các hạt nhũ lúc này sẽ phồng lên. - Đến một mức độ nào đó sẽ không còn các micelle nữa, lúc này các chất nhũ hóa sẽ chuyển vào lớp hấp phụ trên bề mặt phân tử polymer, liên tục hút monomer vào, trùng hợp, tăng nhanh khối lượng phân tử. - Số phân tử polymer lúc này không thay đổi nhưng khối lượng phân tử và độ chuyển hóa tăng lên đáng kể.

- Độ chuyển hóa đạt đến 60 %.  Giai đoạn 3 : ngắt mạch - Nồng độ monomer giảm dần tương ứng với độ chuyển hóa tăng dần. - Kích thước hạt không thay đổi nhiều. - Tốc độ phản ứng giảm dần.

- Độ chuyển hóa tăng dần và đạt 80 – 100 %. - Tiến hành ngắt mạch và kết thúc phản ứng trùng hợp. Thành phần trùng hợp nhũ tương  Monomer : nguyên liệu tổng hợp polymer. Phản ứng trùng hợp nhũ tương theo cơ chế gốc tự do thường sử dụng các loại monomer không no có cấu trúc CH2 = CX1X2.

10  Nước : môi trường phân tán trong phản ứng trùng hợp nhũ tương, nước còn là dung môi cho chất khơi mào, chất hoạt động bề mặt, góp phần giải nhiệt cho phản ứng trùng hợp.  Chất khơi mào : khơi mào các monomer tạo gốc tự do, làm tiền đề cho phản ứng trùng hợp. Các chất khơi mào sử dụng cho phản ứng này phải tan trong nước và có khả năng phân hủy tạo gốc tự do. Thường sử dụng chất khơi mào dạng persulfate, peroxide hoặc azo.