CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Giới thiệu chung về sơn Sơn là sản phẩm dựa trên chất kết dính hữu cơ hoặc vô cơ, khi được phủ lên bề mặt sẽ tạo ra một lớp màng kết dính, có tác dụng bảo vệ và trang trí [1], được thi công bằng cách quét, lăn hoặc phun. Bề mặt khi phủ sẽ tạo một lớp màng mỏng, hầu như không thấm nước. Tùy thuộc vào thành phần và nhu cầu sử dụng có thể phân loại sơn theo nhiều lĩnh vực khác nhau.
Sơn có thể phân loại theo một số yếu tố sau: Theo chất tạo màng: sơn alkyd, sơn epoxy, sơn acrylate… Theo cơ chế đóng rắn: sơn một thành phần, sơn nhiều thành phần. Theo đặc tính sử dụng: sơn chịu nhiệt, sơn chống ăn mòn… Theo chức năng áp dụng: loại độn, loại bịt kín, loại sơn phủ, sơn lót, sơn không dung môi, sơn bột… Theo dung môi sử dụng: Sơn nước, sơn dung môi khác… Ở đây chủ yếu nghiên cứu về sơn acrylate sử dụng dung môi là nước. Sau khi phủ sơn nước lên một bề mặt cần thi công sẽ tạo ra một lớp màng rắn. Trong thực tế, quá trình khô của màng sơn nước xảy ra khi nước bay hơi và các hạt sau đó bị kết tụ [2, 3].
Quá trình này được mô tả ở hình 1.1: Quá trình hình thành màng sơn. Các thành phần của sơn Tùy thuộc vào chất tạo màng, lĩnh vực sử dụng mà sơn có thể có các thành phần khác nhau nhưng hầu hết chúng đều gồm các thành phần cơ bản sau: chất tạo màng, bột màu, bột độn, dung môi, phụ gia. Bột màu Là các hạt rắn, mịn, không bị hòa tan trong môi trường phân tán (nước, dung môi hữu cơ, dung dịch tạo màng…). Bột màu là nguyên liệu chính tạo nên màu sắc và độ che phủ cho màng sơn.
Nó có những tính chất phức tạp về mặt hóa, lý và kỹ thuật sử dụng làm các loại sơn bảo vệ và sơn trang trí. Bột màu gồm hai loại là bột màu vô cơ và bột màu hữu cơ. Bột màu vô cơ Còn được gọi là màu tự nhiên, được tạo nên bằng cách nghiền mịn các vật liệu thiên nhiên. Một số loại bột màu vô cơ thông dụng: Bột màu trắng: Titan dioxit TiO 2 ,Oxit kẽm ZnO, Chì trắng PbCO3 , Pb(OH)2 … Bột màu đen và xám: Muội than (88 – 99,9% C), Bột grafit, oxit sắt đen Fe3O 4 , oxit mangan MnO… Bột màu vàng, cam, đỏ: Vàng trung: Cromat chì PbCrO 4 , vàng chanh: Cromat kẽm ZnCrO 4 , đỏ nâu Fe 2 O3 … Bột màu xanh lá cây, xanh dương, tím: Xanh lá cây: Oxit crom Cr2 O 3 , oxit cobalt – kẽm CoO.nZnO, xanh dương: Oxit cobalt – Nhôm CoO.Al2 O3 … Bột màu hữu cơ Còn gọi là màu tổng hợp với những tone màu tươi sáng và đa dạng hơn.
Tuy nhiên chúng lại có độ bền màu thấp và độ che phủ cũng không cao bằng màu vô cơ. Một số loại màu hữu cơ phổ biến: Gốc màu azo ( N N ) gồm các màu thông dụng vàng, cam, đỏ. Gốc màu Phtalocyanin (( C6 H 4 (CN) 2 ) gồm các màu thông dụng xanh dương, xanh lá cây. Gốc màu Antraquinon gồm màu chủ yếu là xanh dương gốc Antraquinon.
Bột độn Thường chủ yếu ở dạng bột màu trắng, có độ che phủ ít hơn so với bột màu. Chúng thường được thêm vào sơn nhằm mục đích chính là giảm giá thành của sơn. Ngoài ra, một số loại bột độn còn có tác dụng đảm bảo độ kết dính của sơn, tăng tính lưu biến của sơn và tăng độ bền cơ học của màng sơn. Bột độn cùng với bột màu góp phần làm cho sơn ổn định hơn, màng sơn bền hơn, làm cho sơn dễ thi công trên các bề mặt.
Một số loại bột độn thông dụng: Dạng oxit: Diatomit có nguồn gốc thiên nhiên, thành phần chủ yếu là SiO 2 (90 – 95%) và các oxit khác như Al2O3 , CaO… Dạng cacbonat: Bột đá CaCO3 có nguồn gốc tự nhiên. Dạng sunfat (bột đá nặng) phổ biến là BaSO 4. Dạng silicat: phổ biến nhất là bột Talc: silicat magie Mg3Si 4O10 OH 2 , bột cao lanh: silicat nhôm Al2O3 .2H 2O , bột mica: silicat nhôm – canxi. Dung môi Dung môi (hoặc chất pha loãng) có khả năng hòa tan chất tạo màng sơn, làm giảm độ nhớt và tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng.
Các dung môi có ảnh hưởng đến khuyết tật bề ngoài màng, độ bám dính với chất nền và có tác dụng chống ăn mòn [1]. Chúng cũng có thể làm tăng độ đàn hồi và ảnh hưởng đến quá trình khô của màng sơn. Bản chất và hàm lượng dung môi sử dụng phần lớn phụ thuộc vào chất tạo màng và ứng dụng của sơn. Dưới đây là hàm lượng dung môi được sử dụng trong một số loại sơn, vật liệu phủ.1: Hàm lượng dung môi của một số loại sơn và vật liệu phủ [1].
Sơn, vật liệu phủ % hàm lượng dung môi Bột phủ, sơn silicat 0 Sơn nhũ tương dùng trong nội thất 0–2 Sơn nhũ tương dùng cho ngoại thất, sơn lót 3–5 Lớp phủ điện cực 1–4 Lớp phủ latex (thân thiện môi trường) 7–9 Lớp phủ gốc nước 3 – 18 6 Lớp phủ có hàm lượng chất rắn cao 20 – 30 Lớp phủ nhựa alkyd, nhựa polyester, nhựa 40 – 50 epoxy, nhựa polyurethan, nhựa polystyren… (đặc biệt > 55) Pha Cho lớp phủ thông thường 100 loãng Cho lớp phủ gốc nước 0 – 50 Tùy theo cơ chế khô (đóng rắn của màng sơn) mà ta có thể chia sơn thành hai loại: Sơn một thành phần: Sử dụng dung môi là nước, khô tự nhiên dưới tác dụng của không khí và ánh sáng. Sơn hai thành phần: Sử dụng các loại dung môi khác, quá trình khô của màng có thể xảy ra do phản ứng hóa học (đóng rắn). Dung môi có 3 loại chính là dung môi hidrocacbon, dung môi oxi hóa và dung môi nước. Ở đây chủ yếu nghiên cứu về sơn acrylate sử dụng dung môi là nước.
Nó có tác dụng hòa tan nhựa acrylate (chất tạo màng), ảnh hưởng đến quá trình khô của màng sơn. Phụ gia Là các chất có cấu tạo hóa học đặc biệt, được thêm vào sơn với một lượng rất nhỏ (≤ 1%) nhằm tăng cường chất lượng bảo vệ và trang trí của bề mặt sơn sau khi thi công. Chất phụ gia thường được chia thành nhiều nhóm khác nhau, trong đó phổ biến nhất, quan trọng nhất là: Chất khử bọt (phá bọt) Chất thấm ướt và phân tán Phụ gia hoạt động bề mặt Chất ức chế ăn mòn Chất ổn định ánh sáng Chất làm khô (chống bong tróc) và xúc tác Chất diệt khuẩn (chống nấm mốc) Theo chức năng, phụ gia có thể được chia thành một số loại dưới đây: 7 Bảng 1.2: Chức năng một số loại phụ gia và ví dụ [1]. Phụ gia Chức năng Ví dụ Muối kim loại (Co, Ca, Zn, Chất làm Tăng tốc phản ứng tạo liên kết ngang Zr…) của một số axit hữu cơ khô tự nhiên Chất phân Tạo độ bóng, độ kết dính, ổn định Polyphosphates tán Tăng tính lưu biến và khả năng ứng Dẫn xuất cellulose, copolyme Chất tạo dụng (ví dụ ngăn bột màu và chất acrylic, polyurethan và chất đặc độn bị lắng trong quá trình bảo quản) làm đặc vô cơ Chất phá Loại bỏ sự hình thành bọt Silicon, dầu khoáng và chất bọt bằng cách giảm sức căng bề mặt hữu cơ Chất dẫn xuất isothiazolinone và Ngăn chặn sự phát triển của vi chống nấm midazolcarbamate, khuẩn, nấm và tảo mốc formaldehyde Chất điều Ảnh hưởng đến đặc tính của latex, NaOH, KOH, amine, chỉnh pH chất làm đặc và chất phân tán ammonia NH 3 Tạo màng tốt, giữ nguyên màng sau Chất kết tụ Dẫn xuất axit béo khi khô Chất ổn Tạo độ bóng, chống ố vàng, nứt, Chất phân hủy HALS và định ánh phồng rộp hidroperoxide sáng 1.
Chất tạo màng (Nhựa) Nhựa hay chất tạo màng, thường được gọi là chất kết dính, có tác dụng hình thành màng rắn và phân tán các chất màu và chất độn [1]. Đây là những polyme có khối lượng phân tử lớn, không bay hơi, có nguồn gốc tổng hợp hoặc tự nhiên, như nhựa polyester, epoxy, polyurethan hoặc nhựa alkyd, acrylate, vinyl-acrylate. Chúng quyết định các tính chất cơ học và hóa học của màng phủ, như độ bám dính vào chất nền và độ bền, tính linh hoạt, độ dẻo dai, độ bóng và khả năng chống thấm nước của màng sơn. Ở trong nghiên cứu này, chủ yếu sử dụng và nghiên cứu về nhựa (chất tạo 8 màng) acrylate, được tìm hiểu ở mục 1.
Chất tạo màng (Nhựa) acrylate Nhựa acrylate là một loại nhựa có rất nhiều ứng dụng trong đời sống như làm lớp phủ ô tô, chất kết dính, vật liệu y sinh và cả trong lĩnh vực dệt may [4]. Bên cạnh đó, nhựa acrylate là một trong những loại nhựa được ứng dụng phổ biến nhất trong sản xuất chất phủ bề mặt. Nhựa acrylate dùng để chỉ một loại sản phẩm thu được từ quá trình trùng hợp các phân tử monomer có chứa nối đôi C=C, chủ yếu là axit acrylic, axit methacrylic và các ester của chúng. Mặc dù các ester của axit acrylic và axit methacrylic có các đặc điểm khác nhau nhưng polymer từ hai loại ester này được gọi là nhựa acrylate [5], nhiều loại sản phẩm chứa một trong hai hoặc cả 2 loại ester này.2: Axit acrylic, axit methacrylic và các ester của chúng.
Nhựa acrylate là sản phẩm đồng trùng hợp của acrylic axit, methacrylic axit và/hoặc dẫn xuất hoặc ester của chúng.3 dưới đây mô tả thành phần monomer cơ bản, công thức phân tử nhựa acrylate và monomer của nó.3: Cấu trúc nhựa acrylate và các monomer của nó. (R là các monomer acrylate khác) Để tăng cường tính chất cho nhựa acrylates có thể đồng trùng hợp nó với các monomer khác như styren, acrylamide hoặc biến tính nhựa acrylates. Sara Karami, Siamak Motahari và cộng sự đã tiến hành tổng hợp nhựa acrylate và cải thiện tính chất nhiệt của nhựa bằng arogel silica ứng dụng cho sơn [6]. Nhóm tác giả đã tiến hành tổng hợp hai mẫu nhựa acrylate bằng phản ứng trùng hợp nhũ tương, trong đó một mẫu có thêm một monomer là acrylamide.
Việc bổ sung acrylamide giúp cải thiện độ bám dính cho màng sơn, tăng khả năng nhựa kết hợp với silica arogel, từ đó cải thiện tính chất nhiệt cho màng sơn. Bằng cách bổ sung thêm các hạt nano MgO, khả năng chống ăn mòn của màng sơn được cải thiện.